Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB; ISS-17A MPLM Leonardo, LMC.

Wegen schlechten Wetters in Florida (25.08.2009) und technischer Probleme (26.08.2009) wurde der Start dreimal verschoben.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Discovery am 31.08.2009 an die ISS an. Wegen eines Lecks waren beim Andockvorgang an die ISS die vorderen Feinsteuerdüsen nicht verfügbar, sodass von Commander Sturckow erstmals ein Andockmanöver eines Shuttle an die ISS mit den 36-fach schubstärkeren Hauptdüsen des Reaction Control Systems geflogen werden musste. Das Manöver führte zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch (265 kg statt 34 kg).

Gemeinsame Arbeit mit der ISS Expedition 20. Transfer von Stott zur ISS und Kopra zur Crew von STS-128. Wichtigste Nutzlast an Bord war das Multi-Purpose Logistics Module Leonardo, mit mehreren Experimenten zur Erforschung chemischer und physikalischer Vorgänge in der Schwerelosigkeit. Drei Weltraumspaziergänge waren geplant, bei denen u.a. ein leerer Ammoniak-Tank mit zurückgebracht werden soll. Für den Transport des Tanks war auch das LMC (Lightweight Multi Purpose Experiment Support Structure Carrier) in der Nutzlastbucht des Shuttles untergebracht.

Erste EVA durch Olivas und Stott am 01.09.2009 (6h 35m) zur Vorbereitung für den Austausch eines leeren Ammoniak-Tanks an der Rückseite der Station, indem man die Festhaltebolzen löst. Daneben wurden ein Materialforschungsexperiment (MISSE) und ein europäisches Wissenschaftsexperiment (EuTEF), die beide an der Außenhaut des Columbus-Labors montiert waren geborgen und in der Nutzladebucht von Discovery verstaut.

Während dessen wurden wichtige Forschungsmittel von Leonardo in das Raumlabor Destiny transferiert.

Zweite EVA durch Olivas und Fuglesang am 03.09.2009 (6h 39m) zum Austausch des Ammoniak-Tanks. Dieser Tank, der etwa 833 kg wog, war damit die schwerste Masse, die von Astronauten während einer EVA bewegt wurde. Auch der alte Tank wurde in der Nutzladebucht verstaut. Dieser leere Tank wird auf der Erde neu befüllt und mit STS-131 wieder zur Station gebracht.

Dritte und letzte EVA durch Olivas und Fuglesang am 05.09.2009 (7h 01m). Dabei Vorbereitungsarbeiten für die Ankunft des Verbindungsknotens Tranquility durchgeführt. In diesem Zusammenhang wurden zwei über 18m lange Datenleitungen zwischen dem Steuerbord-Truss und dem Knotenpunkt Unity zusätzlich angebracht, dem Bereich, in dem Tranquility installiert werden soll. Dieser dritte Knoten soll mit STS-130 im Februar 2010 zur ISS geliefert werden. Bei einem Kabelset passten die Verbinder nicht, sodass sie mit Isoliermanschetten gesichert wurden und die Beendigung dieser Aufgabe auf eine spätere Mission verschoben werden musste. Während der EVA wurde außerdem ein Kommunikationssensor ausgetauscht sowie zwei neue GPS-Antennen und ein neuer Stromkreisschalter installiert.

Wegen schlechten Wetters im in Florida wurde die Landung zunächst um einen Tag verschoben. Aber auch das reichte nicht, so dass man notgedrungen wieder in Edwards landen musste.

Stott am 27.11.2009 um 14:44 UT mit STS-129 gelandet.