Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB; Mission ISS-05-3A.

Nach zweitägigem Alleinflug koppelte die Discovery am 13. Oktober 2000 mit der Raumstation ISS. Am dritten Flugtag wurde zunächst das Z1 Integrated Truss Segment, kurz: Z1 (-Truss) genannt, installiert. Z1 ist die Basisstruktur für die US-Solarflächenzellen.

Die erste EVA durch William McArthur und Leroy Chiao erfolgte am 15. Oktober 2000 (6h 28m) bei dem Kabel montiert wurden, die S-Band-Antenne an eine andere Stelle befestigt und eine Toolbox angebracht wurden. Außerdem installierten sie eine Space-to-Ground-Antenne, indem sie die Satellitenschüssel entfalteten.

Die zweite EVA unternahmen Peter Wisoff und Michael Lopez-Alegria am 16. Oktober 2000 (7h 07m). Dabei waren sie mit Unterstützungsarbeiten beschäftigt, während Koichi Wakata mit Hilfe des Robotarmes den Pressurized Mating Adapter 3 (PMA-3) an die Station anbrachte. Dieser Verbindungsadapter, der mechanische Schnittstellen, elektrische Systeme und diverse Hardware beinhaltet, liefert dem Shuttle einen Dockingplatz zur ISS, der für die Installation des Destiny-Labormoduls benötigt wird.

Die dritte EVA durch William McArthur und Leroy Chiao erfolgte am 17. Oktober 2000 (6h 48m) bei der die letzten Kabelverbindungen zwischen Unity und PMA-3 hergestellt wurden. Außerdem brachten sie zwei Konverter an Z1 an und begannen mit vorbereitetenden Arbeiten für die Mission STS-97 zum weiteren Aufbau der Raumstation.

Die vierte und letzte EVA unternahmen Peter Wisoff und Michael Lopez-Alegria am 18. Oktober 2000 (6h 56m) bei dem die SAFER-Einheit (Simplified Aid for EVA-Rescue) eingehend getestet wurde.

Mit den Triebwerken der Discovery wurde die Bahn des Komplexes während dreier halbstündiger Antriebsphasen um etwa 8 Kilometer angehoben. Gleichzeitig wurden strukturelle Tests durchgeführt. Nach den erfolgreichen Montagearbeiten im Weltraum wurden die Gyroskope in Z1 angewärmt und kurzzeitig auf 100 Umdrehungen pro Minute angefahren. Außerdem wurden innerhalb des Moduls Unity Kabel zum neuen Kopplungsadapter verlegt sowie Computerausrüstung und Filmzubehör (IMAX) in die Station transportiert und ein Experiment zur Züchtung von Proteinkristallen in der Schwerelosigkeit ins Shuttle gebracht. Das Experiment war mit der Atlantis im September in die Station gelangt. Routineexperimente betrafen die Erfassung von GPS-Daten zur Navigation und den Test eines Halbleiter-Sternsensors zur Bahnverfolgung großer und heller Ziele. Damit soll die Navigation in der Nähe der Station erleichtert werden.

Wegen schlechten Wetters an beiden Landeorten musste die Discovery zwei zusätzliche Tage im All bleiben und wurde schließlich zur Edwards AFB umgeleitet.