Start von Cape Canaveral (KSC) und Landung ebenso auf Cape Canaveral (KSC), Runway 15.

Ein erster Startversuch am 09. August 2001 musste wegen starker Gewitter rund um das KSC in Florida abgesagt werden. Obwohl erneut starke Regenschauer und Gewitterwolken gefährlich nahe an den Startplatz heranzogen, gestatteten die Manager den Start. Allerdings wurde der Start um fünf Minuten vorgezogen.

Zu den Hauptzielen des Fluges (Mission ISS-11-7A.1) gehörten der Austausch der ISS-Stammbesatzung sowie der zweite Einsatz des in Italien gebauten Multi-Purpose Logistics Module (MPLM) Leonardo. An Bord von Leonardo waren Experimente, Versorgungsgüter und Ausrüstungen. Die neuen Experimente dienten in erster Linie biotechnologischer und medizinischer Forschung. So wurde mit dem Komplex Cellular Biotechnology Operations Support System (CBOSS) im EXPRESS-Rack 4 das Wachstum verschiedener Zellarten analysiert. Als weitere Versuchsanordnung flog das Materials International Space Station Experiments (MISSE).

Nach dem Einschwenken in die Erdumlaufbahn öffnete die Discovery ihre Nutzlastbucht, um eine Überhitzung des Orbiters zu vermeiden. Zu den Arbeiten vor dem Endanflug zur ISS gehörte insbesondere die Überprüfung des Greifarmes der Discovery, da dieser für das Umsetzen des MPLM von der Ladebucht an die ISS unerlässlich ist. Ebenso fuhren die Astronauten den Docking-Adapter aus und überprüften seine Systeme.

Den Gesetzen der Bahnmechanik folgend holte die Discovery von ihrer ersten Umlaufbahn und weiteren Triebwerkszündungen in den folgenden beiden Tagen immer mehr zur Internationalen Raumstation auf. Am dritten Flugtag, dem 12. August 2001, hatte die Discovery einen Punkt 15 Kilometer hinter der Raumstation erreicht. Für den Anflug im Rahmen des sogenannten "R-Bar Approach" musste das Space Shuttle nochmals seine Bahn senken, sodass sich die Discovery schließlich etwa 180 Meter unterhalb der Internationalen Raumstation befand. Ab dieser Distanz übernahm Scott Horowitz die manuelle Steuerung und flog entlang des sogenannten "R-Bar" (gedachte Verbindungslinie zwischen der Raumstation und dem Erdmittelpunkt) hinauf zur ISS. Nach den üblichen Haltepunkten bei 52 Meter und 9 Meter vor der ISS reduzierte er die Annäherungsgeschwindigkeit auf zuletzt nur noch 3 Zentimeter pro Sekunde. Wie die Kommandanten bei allen Kopplungsmissionen steuerte er den Raumgleiter von der hinteren Konsole im Flugdeck aus, weil er von dort freie Sicht auf die Raumstation hatte. Ohne Probleme konnte er sein Raumschiff an die ISS ankoppeln.

Knapp eine Stunde später öffneten Shuttle-Kommandant Scott Horowitz und ISS-Kommandant Juri Ussatschow die Luken. Dem schloss sich eine kurze Begrüßungszeremonie an. Frank Culbertson, Wladimir Deshurow und Michail Tjurin wurden als dritte Expedition neue Besatzung der ISS. Sie bauten die mitgebrachten Schalensitze in das angekoppelte Raumschiff Sojus TM-32 ein. Dies geschah als Vorsichtsmaßnahme für den Fall einer überhasteten Rückkehr vor Abholung durch das nächste Space Shuttle. Die bisherige zweite Expedition mit James Voss, Susan Helms und Juri Ussatschow kehrte an Bord von STS-105 zur Erde zurück. Für ihren Rückflug waren im Mitteldeck des Orbiters Liegesitze eingebaut worden.

Am 13. August 2001 wurde das Logistikmodul MPLM Leonardo von Patrick Forrester mit Hilfe des Greifarms der Discovery aus der Ladebucht gehoben und am Unity-Modul angedockt (15.55 UTC).
Leonardo ist eines von drei durch die italienische Raumfahrtbehörde ASI entwickelten und gebauten Transportmodule. Das zylindrische Objekt war 6,4 Meter lang und hatte einen Durchmesser von 4,6 Meter. Es hatte eine Masse von knapp 4,1 Tonnen und konnte bis zu 9 Tonnen Nutzlasten zur Internationalen Raumstation befördern. Die Versorgungsgüter konnten in 16 sogenannten "Racks" verstaut werden. Die drei Module besaßen eigene Lebenserhaltungssysteme, Stromversorgung und Computeranlagen. Sie waren wiederverwendbar, hatten aber keine eigenen Steuerungsmöglichkeiten.
Nach der erfolgreichen Umsetzung des Moduls zur ISS und der Herstellung des Druckausgleichs wurden die Luken geöffnet und die Mannschaften begannen die Entladearbeiten. Mehr als 3 Tonnen Ausrüstung, Lebensmittel und Wasser wurden in der Station verstaut. Bereits abgeschlossene Experimente und persönliche Gegenstände der ISS-2-Mannschaft sowie Abfall wurden im Gegenzug in die Discovery bzw. in das Logistikmodul Leonardo transportiert. Leonardo wurde am 19. August 2001 von der Station abgekoppelt und wieder im Laderaum des Shuttle untergebracht.

Am 14. August 2001 wurde im russischen Service-Modul Swesda eine neue Software installiert, die an den folgenden Tagen getestet wurde. Mit ihr verbessert sich die Steuerung der Station vom russischen Teil aus. Dies war insbesondere für die Ankunft des russischen Kopplungs- und Ausstiegsmoduls Pirs im September 2001 wichtig.

Die erste EVA der Mission wurde durch Daniel Barry und Patrick Forrester am 16. August 2001 (6h 16m) zur Montage eines Ammoniak-Tanks und zwei wissenschaftlichen Experimenten ausgeführt. Zuerst brachten die beiden Astronauten den "Early Ammonium Servicer" (EAS) am P6 Truss an. Das Kühlmittel in den Kanistern wurde als Reserve außen an der ISS deponiert bis größere Vorratsbehälter permanent an der Raumstation angebracht werden. Transportiert wurde EAS mit Hilfe des Shuttle-Greifarms, der von Scott Horowitz bedient wurde.
Anschließend montierten Daniel Barry und Patrick Forrester das MISSE-Experiment außen an der Quest-Luftschleuse fest. Es kann dort von der ISS-Besatzung später relativ einfach wieder geborgen werden.
MISSE ist ein materialwissenschaftliches Experiment, das in vier Containern untergebracht ist. Zwei davon wurden mit STS-105 transportiert. Nach ihrer Befestigung wurden die Container geöffnet und der Inhalt über längere Zeit dem freien Weltraum ausgesetzt. Die ersten Experiment-Proben bestanden aus neuen Generationen von Solarzellen, optischen Komponenten für künftige Satelliten, neuen Hitzeschutz-Farbschichten, neuen leichteren Schutzschilden zum Schutz vor Weltraumstrahlung, Schutzschild-Materialien gegen Mikrometeoriten, Spiegel und Linsen für den Einsatz im All sowie entfaltbaren Solarsegeln und Spiegeln.

Die zweite und letzte EVA unternahmen ebenfalls Daniel Barry und Patrick Forrester am 18. August 2001 (5h 29m). Die Astronauten brachten Strom- und Datenkabel außen an der ISS an, die für spätere Module und den weiteren Aufbau der Raumstation benötigt werden. Weiterhin montierten sie insgesamt 11 neue Handgriffe an das Modul Destiny. Damit war die ISS für die Ankunft des S0 Trägers mit STS-110 vorbereitet. Auch bei diesem Außenbordeinsatz wurden die beiden Astronauten durch Scott Horowitz am Greifarm des Space Shuttle unterstützt.

Während des gemeinsamen Fluges wurden mit den Triebwerken der Discovery zwei Bahnmanöver durchgeführt. Dadurch wurde der Orbit der Station um etwa 7 Kilometer angehoben.

In der Ladebucht der Discovery befanden sich mehrere Kanister mit Experimenten, die im Rahmen eines speziellen Bildungsprogramms ("Shuttle Small Payload Project" - SSPP) gemeinsam mit Schülern verschiedener Bundesstaaten der USA durchgeführt wurden. Dazu gehörten insbesondere biologische Experimente (Zell- und Sprosswachstum, Entwicklung von Wurzeln, Einfluss von Strahlung, Temperaturschwankungen und Schwerelosigkeit auf verschiedene Pflanzensamen) und physikalische Versuche (Glimmbrand in der Schwerelosigkeit, Korrosion, Einfluss hochfrequenter Strahlung auf natürliche und synthetische Stoffe, Haltbarkeit von Klebstoffen, Stabilität von Bildmedien, Wirkungen verschiedener Strahlungsschilde, Laserkommunikation, Einfluss von Strahlung, Temperatur und Mikrogravitation auf verschiedene Materialien).

Das "Space Vision Laser Camera System" (SVLCS) sollte Laser-Entfernungsmessungen bei schlechten Lichtverhältnissen durchführen. Mit dem System sollen schlecht sichtbare Objekte im All oder am Greifarm der ISS verfolgt werden können.

Das "Spatial Reorientation Following Spaceflight" soll nach der Rückkehr von Langzeit-Raumflügen den Astronauten helfen, das räumliche Orientierungs-Vermögen schneller wiederherzustellen.

Beim Experiment "Spaceflight and Immune Function" ging es um die Entwicklung von Gegenmaßnahmen zum erhöhten Risiko, bei längeren Raumflügen Krankheiten oder Infektionen zu entwickeln. Hierzu wurden den Astronauten vor und nach dem Flug Blutproben entnommen.

Beim Experiment "Crosswind Landing Performance" sollten Daten gesammelt werden, die feststellen sollen, ob eine manuelle Landung eines Space Shuttle bei direktem Seitenwind von 10 bis 15 Knoten möglich ist.

Am 20. August 2001 koppelte die Discovery-Besatzung mittels Federkraft wieder von der ISS ab. Dadurch werden Beschädigungen oder Verunreinigungen der Station vermieden. Erst danach wurden die Steuerungstriebwerke aktiviert und die Raumfähre entfernte sich von ihr bis zu einer Distanz von etwa 150 Meter. Von dort aus umflog Frederick Sturckow die Orbitalstation eineinviertel Mal, ehe die Triebwerke der Discovery erneut gezündet wurden und der Raumgleiter seine Distanz vergrößerte.
Anschließend wurde der Kleinsatellit Simplesat gestartet, mit dem demonstriert werden soll, wie genau eine Satellitensteuerung über das "Global Positioning System" (GPS) ist.

Die Landung der Discovery verzögerte sich wegen Regenschauern in Florida um einen Erdumlauf.

Frank Culbertson, Wladimir Deshurow und Michail Tjurin sind am 17. Dezember 2001, 17:55:10,884 UTC mit STS-108 gelandet.