Au terme d'un compte à rebours sans soucis, mis à part quelques alertes météo, Discovery quitte le pad 39A le 29 août 2009 à 3h 59 mn 37s pour son rendez vous avec ISS. A bord, un équipage de 7 astronautes la pilote. Autour du commandant Frederick Sturckow (3 vols STS) se trouve le pilote Kevin Ford et 6 MS: Patrick Forrester (2 vols), Jose Hernandez, John Danny Olivas (un vol), Christer Fuglesang de l'ESA (un vol), Nicole Stott et Timothy Kopra (un vol).

31 août, FD2, Discovery s'amarre à ISS à 0h 54. La manoeuvre de "pitch roll" permet de photographier le ventre de l'Orbiter depuis les hublots de la station afin de déceler des impacts de mousse sur les fragiles tuiles. L'écoutille est ouverte à . 2h 33 le 1er septembre. L'équipage de STS 128 rentre dans ISS rejoindre l'équipage 20. Nicole Stott prendra la relève de Timothy Kopra à titre d'ingénieur de vol pour l'Expédition 20. Kopra reviendra sur terre avec le reste de l'équipage de Discovery.

   

1 septembre, FD3, le module logistique Leonardo est déplacé par le bras SSRMS de la soute vers le port nadir d'amarre PMA d'Harmony. Il enferme des équipements pour la station, des vivres pour l'équipage. La première EVA permet d'enlever le vieux le réservoir d'ammoniaque sur la poutre P1 et les expériences EuTEF et MISSE 6 du module Columbus. Elles seront rapportées sur terre. En avance sur l'horaire, Nicole Stott  tente d'installer une couverture sur la lentille de caméra du bras SSRMS mais sans succès, une tâche initialement prévue pour la 3e sortie. Cette couverture doit protéger la caméra des contaminants provenant des moteurs du futur module de ravitaillement japonais HTV qui doit être lancé en septembre. Olivas ne peut exécuter d'autres tâches après qu'il eut remarqué des traces d'impacts de débris spatiaux près du module Quest, le sol demande à ce qu'ils soient photographier. Olivas et Stott restent 6h 35 dans l'espace.

3 septembre, la seconde EVA permet à Fuglesang et Olivas de fixerle nouveau réservoir d'ammoniaque sur P1 et de ramener l'ancien dans la soute de Discovery. Fuglesang termine l'installation de deux protecteurs de lentille de caméras sur le bras SSRMS, mais Olivas doit suspendre ses travaux sur un câble d'élément chauffant du sas PMA-3 après la découverte d'anomalies sur des câbles électriques.

4 septembre, un débris provenant du lanceur Ariane 5 utilisé le 11 août 2006 pour mettre sur orbite les satellites JCSAT-10 et Syarcuse 3B s'est trouvé à passer à seulement 1,3 km en face de la Station spatiale à 15:06:53. Il s'agissait d'un adaptateur de charge utile Sylda employé pour superposer les deux satellites au sommet de la fusée. Ce débris était surveillé étroitement et son orbite connue avec précision, c'est pourquoi aucune manoeuvre d'évitement n'a été programmée pour l'ISS. Vu de la Station spatiale, le débris se déplaçait de la droite vers la gauche. L'identité de ce débris est 2009-033C avec le numéro de catalogue 29274. L'illustration ci-dessous montre l'orbite des deux objets au moment de la rencontre rapprochée.

5 septembre, 3eme et dernière EVA. John "Danny" Olivas et Christer Fuglesan restent 7h 01 dans l'espace pour déployer un système d'attache de charge utile (PAS : Payload Attach System) sur le dessus du segment de la poutre S3 (travail prévu initialement pour STS-127 mais reporté faute de temps), remplacer le gyroscope GMC no 2 du segment de poutre central S0, remplacer un module de contrôle de puissance dans le segment S0, installer deux antennes GPS sur S0 puis pour terminer attacher deux groupes de câbles électriques pour alimenter le futur Node 3 tranquility depuis Z1. Un des câbles a refusé de se connecter, il sera branché lors d'une prochaine mission.   La caméra du casque de Fuglesang se détache et n'est retenu que par son câble d'alimentation, le privant de lumière pour terminer sa tache. il doit rentrer dans le sas Quest avant que le soleil ne se couche.

7 septembre, le module Leonardo est remis dans la soute. Après la cérémonie d'adieu à laquelle les treize astronautes de l'ISS et de Discovery participent, chaque équipage a rejoint son vaisseau spatial et les écoutilles se sont refermées.

Le 8, Discovery se détache d'ISS à 19h 26 et s'en éloigne de quelques centaines de métres.

   

L'atterrissage est repoussé de 48 heures à cause d'une mauvaises météo sur la Floride. Finalement, Discoevry atterrit le 12 septembre sur la base d'Edwards en Californie à 0h 53 après un vol de 13 jours 20 heures 54 minutes 55 secondes. c'est le 54eme retour en californie.