Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS-2J/A JEM EF, JEM ELM-ES.

Ursprünglich war der Start für den 13. Juni 2009 geplant. Die NASA hatte diesen Startversuch aber wegen eines Lecks im Sauerstoff-Ventilsystems abgesagt. Mit einem Monat Verspätung und 5 Startverschiebungen wegen Lecks im Sauerstoff-Ventilsystem bzw. wegen schlechten Wetters, konnte Endeavour im 6. Versuch endlich starten.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Endeavour am 17. Juli 2009 an die ISS an. Es folgten gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 20. Zu den wesentlichen Aufgaben der Mission gehörte der Transfer von Timothy Kopra zur ISS und von Koichi Wakata zur Crew von STS-127, der mit diesem Flug die Heimreise zur Erde antrat.

Hauptaufgabe dieser Mission war aber das Anliefern und Installieren des dritten und letzten Teils von Kibo, die Außenplattform Japanese Exposed Facility (JEM EF) und das Experiment Logistics Module - Exposed Section (JEM ELM-ES). Die Außenplattform ist eine Art "Veranda", die im Gegegnsatz zum Logistikmodul innerhalb von Kibo nicht unter Druck steht, so dass man dort quasi unter Bedingungen des freien Weltraums forschen kann.

Außerdem wurden zwei kleine Satelliten mitgeführt, die während der Mission ausgesetzt wurden. Zum einen handelte es sich dabei um DRAGONSat, ein Demonstrationssatellitenpaar für autonome Rendezvous- und Dockingmanöver mit GPS-Unterstützung, ein gemeinsames Projekt der Texas A&M University und der University of Texas, in Austin.

Der zweite Satellit ist das Atmospheric Neutral Density Experiment (ANDE-2), ein Projekt zur Untersuchung von Dichte und Zusammensetzung der Atmosphäre unterhalb von 350 km Höhe, des Verteidigungsministeriums unter der Federführung des Naval Research Laboratory.

Dazu wurde ein Satz neuer Experimente mitgebracht, die an die ISS angebracht wurden, als da wären: Dosimetry for Biological Experiments in Space (ESA), Validation of Procedures for Monitoring Crew Member Immune Function, das von Studenten hergestellte Image Reversal in Space (CSA/ISU), Nutritional Status Assessment (NASA), NASA Biological Specimen Repository and Tomatosphere-II (CSA).

Die erste EVA durch David Wolf und Timothy Kopra wurde am 18. Juli 2009 (5h 32m) unternommen. Dabei wurden Verbindungsmechanismen für die Kibo-Logistikplattform vorbereitet, die später am Tag mit Hilfe des Robotarmes der ISS installiert wurde. Daneben wurden Bolzen von einem Ammonium-Tank gelöst, eine Vorbereitungsarbeit für die nächste Shuttle-Mission, STS-128. Danach ging man dazu über, mit einem Spezialwerkzeug den Kopplungspunkt für externe Nutzlasten (UCCAS) an der P3-Gitterstruktur aufzuklappen, was bei der Mission STS-119 nicht gelang.

Die zweite EVA führten David Wolf und Thomas Marshburn am 20. Juli 2009 (6h 53m) durch. David Wolf entfernte eine Ku-Band Weltraum-Boden-Antenne, ein Pumpenmodul und einen Linearantrieb vom ICC-VLD und ritt auf dem Stationsarm, gesteuert von Julie Payette und Douglas Hurley, jeweils mit einem Bauteil in der Hand zu ESP-3 am Stationsausleger P3. Dort befestigten beide Astronauten die Ersatzteile für eine längere Lagerdauer. Thomas Marshburn befestigte auch ein Griffstück an einem Ammoniaktank, so dass dieser bei der Mission STS-128 bewegt werden kann. Außerdem brachte er zwei Isolierhüllen an den Außenverbindern des Station-to-Shuttle Power Transfer Systems an. Die Installation einer Videokamera Kibos wurde verschoben.

Die dritte EVA durch David Wolf und Christopher Cassidy erfolgte am 22. Juli 2009 (5h 59m). Zuerst wurden Isolierdecken vom Kibo-Modul entfernt und das Kibo-Logistikmodul auf das Entladen am nächsten Tag vorbereitet. Der Frachtträger (ICC-VLD) mit den sechs Ersatzbatterien war von Douglas Hurley und Julie Payette mit Hilfe des Stationsroboterarms zum Arbeitsplatz am Solarkraftwerk P6 gebracht worden. Statt der geplanten vier Batterien konnten aber nur zwei Batterien ausgetauscht werden. Diese EVA wurde von den NASA-Managern gekürzt, nachdem festgestellt wurde, dass in Christopher Cassidys Raumanzug die CO2-Werte anstiegen, weil sie aufgrund eines Fehlers nicht mehr abgebaut werden konnten. Dies geschah allerdings als reine Vorsichtsmaßnahme.

Die vierte EVA unternahmen Thomas Marshburn und Christopher Cassidy am 24. Juli 2009 (7h 12m) zum Austausch der vier noch fehlenden Batterien.

Die fünfte und letzte EVA wurde erneut durch Thomas Marshburn und Christopher Cassidy am 27. Juli 2009 (4h 54m) zum Entfernen von Wärmematten vom Dextre Robotic Arm und Neuverlegung von Kabeln an einem Sonnenzellenausleger unternommen. Außerdem wurden zwei weitere Payload Attachment Systems entfaltet. Anschließend montierten die beiden vorne und hinten an Kibos Außenplattform (EF) Videoausrüstung, die u. a. auch die Ankopplung des japanischen HTV-Raumfrachters ermöglicht. Eine der Videokameras hätte eigentlich schon während der vierten EVA angebracht werden sollen, aber das hatte man dann kurzfristig umgeplant. Da das weiterhin geplante Ausbringen des Nutzlastbefestigungssystems (PAS) am Stationsausleger S3 zu lange gedauert hätte (war schon bei der EVA 1 geplant), wurden die beiden angewiesen noch andere Aufgaben zu erledigen, die für spätere Außeneinsätze geplant waren. Dazu gehörten das Befestigen von Kabeln und das Anbringen von Handführungen und einer mobilen Fußklammer zur Unterstützung späterer Ausstiege.

Am 16. Flugtag wurden dann noch die beiden mitgeführten Satelliten ausgesetzt.

Timothy Kopra am 12. September 2009 um 00:53 UTC mit STS-128 gelandet.