Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC); ISS ULF-5 / ELC-4.

Bei der Mission STS-133 wurden der vierte EXPRESS Logistics Carrier (ELC-4) sowie Versorgungsgüter mit dem PMM Leonardo zur Internationalen Raumstation gebracht. Das PMM Leonardo verbleibt dauerhaft an der ISS. Eine besondere Nutzlast im Inneren von Leonardo war ein von NASA und General Motors gemeinsam entwickelter humanoider Roboter mit der Bezeichnung Robonaut 2, welcher nach Rückkehr des Shuttles zur Erde von den ISS-Besatzungen getestet werden soll

Der Start der Discovery musste mehrfach verschoben werden. Der erste Starttermin am 01. November 2010 wurde um drei Tage verschoben, nachdem eine Reservekontrolleinheit für das Haupttriebwerk 3 eine Spannungsspitze erfuhr und fehlerhafte Werte anzeigte. Dann erfolgte eine weitere Verschiebung um einen Tag, weil der Außentank wegen schlechten Wetters nicht befüllt werden konnte. Nachdem die Tankbefüllung wegen eines weiteren technischen Problems ebenfalls nicht vorgenommen werden konnte, stellte man dann auch noch fest, dass sich in der Schaumstoff-Außenschicht des Tanks ein Riss gebildet hatte, welcher im Nachhinein einen Start untersagt hätte und ebenfalls repariert werden musste. Später wurden unterhalb des Schaumstoffes zwei Risse an einer Verstärkungsrippe (Stringer) in der Aluminiumhülle des Zwischentankbereichs entdeckt, die ebenfalls repariert werden mussten. Nachdem das Betanken 17. Dezember 2010 dann ohne Probleme funktionierte und auch die Sensoren keine Fehler anzeigten, hätte man eventuell starten können. Um aber auch die an der Startrampe unzugänglichen Bereiche des Zwischentanks untersuchen zu können, wurde der gesamte Startaufbau wieder in das Vehicle Assembly Building zurückgerollt (Rollback). Dadurch verschob sich der nächstmögliche Starttermin auf den 03. Februar 2011. Am 06. Januar 2011 entschieden die NASA-Manager die Mission noch weiter nach hinten zu verschieben, um den Ingenieuren mehr Zeit zu geben, sich um die Reparaturen zu kümmern, nachdem man noch mehr Schäden am Shuttle festgestellt hatte. Als frühester Starttermin wurde jetzt der 24. Februar 2011 angegeben.
Am 15. Januar 2011 wurde Timothy Kopra bei einem Fahrradunfall verletzt. Am 19. Januar 2011 wurde er durch Stephen Bowen ersetzt.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Discovery am 26. Februar 2011 an die ISS an. Es folgten gemeinsame Arbeiten mit der ISS Expedition 26.
Im weiteren Verlauf des Tages lösten Michael Barratt und Nicole Stott mit Hilfe des Roboterarms der Raumstation den Express Logistic Carrier 4 aus der Ladebucht des Space Shuttle und übergaben ihn dem Roboterarm des Shuttle, der von Alvin Drew und Eric Boe gesteuert wurde. Von dort wurde der ELC-4 zur Installation auf die zur Erde zeigende Seite des Steuerbord-Truss manöveriert. Dort soll er als Ersatzteil-Plattform dienen, auf der auch eine Reserve-Heizung lagern soll, die mit der Discovery mitgebracht wurde.

Die erste EVA durch Stephen Bowen und Alvin Drew wurde am 28. Februar 2011 (6h 34m) unternommen. Sie installierten ein Verlängerungskabel zwischen Unity und Tranquility, um bei Bedarf eine zusätzliche Energiequelle zu haben. Beide transportierten danach die defekte Ammoniak-Kühlpumpe, die im August 2010 noch zwischengelagert wurde, zur Quest Airlock. Alvin Drew und Stephen Bowen installierten dann eine kleine Hardware unterhalb der Kamera auf dem Truss. Die Kamera wurde durch dieses Teil leicht gekippt, um Platz zu schaffen für ein etwas größeres Ersatzteil, das bei einer zukünftigen Mission geliefert wird. Zudem wurde ein Steuerungssystem, das für das Steuern des Schienenkarrens längs des Trusses benötigt wird, ersetzt. Diese Steuerung war während Arbeiten am Solar Alpha Rotary Joint der Steuerbordseite, entfernt worden.

Am 01. März 2011 versetzten Michael Barratt und Nicole Stott mit Hilfe des Roboterarms der Raumstation eine Haltevorrichtung auf das Permanent Multipurpose Module (PMM). Das mit 28353 Pfund voll beladene Modul wurde aus der Ladebucht der Discovery gehoben und am Unity-Andockstutzen dauerhaft befestigt.

Die zweite und letzte EVA dieses Fluges durch Stephen Bowen und Alvin Drew erfolgte am 02. März 2011 (6h 14m). Die Astronauten beseitigten Isolationsmaterial von einer Plattform. Stephen Bowen wechselte einen Befestigungsbügel am Columbus Modul. Danach installierte er eine Kameravorrichtung am Dextre Roboter und entfernte Isolationsmaterial von der elektronischen Plattform von Dextre. Alvin Drew installierte eine Lampe an den Cargo-Kart und reparierte ein Ventil auf dem Truss, indem Isolationsmaterial ausgebessert wurde. Danach entfernte er noch Isolationsmaterial von Tranquility. Die letzte Aufgabe stellte das "Befüllen" einer Spezialflasche dar. Das war eine japanische Unterrichts-Payload. Die Flasche soll später in einem Museum auf der Erde ausgestellt werden.

Zwischenzeitlich wurde die Mission um zwei Tage verlängert.