STS-133 startete von Cape Canaveral (KSC) und landete wieder auf Cape Canaveral (KSC), Runway 15.

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 am 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.

Bei der Mission STS-133 (ISS ULF-5 / ELC-4) 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

Die EXPRESS Logistics Carriers (ELC) (EXpedite the PRocessing of Experiments to the Space Station) sind externe Transport- und Trägerplattformen für Experimente und Ersatzteile, so genannte ORUs, auf der Internationalen Raumstation ISS.
Ein ELC besteht jeweils aus einer grauen, quaderförmigen Gitterstruktur, auf der sich gewünschte Elemente positionieren lassen, wobei auf jeder Gitterfläche in etwa ein halbes Dutzend Bauteile Platz findet. Außerdem sind zur Montage der Plattform und anderen Arbeiten Haltepunkte für den Greifarm angebracht.
Die ersten beiden, ELC-1 und ELC-2, wurden am 18. November 2009 mit der Space-Shuttle-Mission STS-129 zur ISS transportiert. ELC-4 folgte am 26. Februar 2011 mit STS-133. ELC-3 wurde am 18. Mai 2011 während der Shuttle-Mission STS-134 an der ISS montiert. Während ELC-1 unten (Nadir) und ELC-3 oben (Zenit) am P3-Element der Integrated Truss Structure montiert wurde, befestigte man ELC-2 oben und ELC-4 unten am gegenüberliegenden S3-Truss. Die ELCs sind 1,6 Tonnen schwer, 4 mal 5 Meter groß, besitzen viereinhalb Tonnen Nutzlastkapazität und 30 Kubikmeter Stauraum.

Mit seinen menschenähnlichen Händen soll Robonaut 2 dieselben Werkzeuge benutzen wie die menschliche ISS-Besatzung. Der Robonaut 2 ist modular aufgebaut, sodass etwa die Arme, der "Kopf" oder der Torso ausgetauscht werden können. Nach der Ankunft an der ISS sollen zunächst einige Versuchsreihen durchgeführt werden, wonach der Robonaut durch Austausch einzelner Module schrittweise modifiziert wird. Nachdem er zunächst fest auf einer Basis installiert wird, sollen auf diese Weise Beine zur Fortbewegung in der Station hinzukommen. Später soll Robonaut 2 auf die gleiche Art zu Außenbordeinsätzen befähigt werden.
Der Robonaut 2 besitzt Kameras und kann aufgrund der zugrundeliegenden Bildanalyse eigenständig entscheiden, welche Aktionen auszuführen sind. Die dazu nötige komplexe Bildverarbeitung wurde von der NASA mit der deutschen Softwarebibliothek für die Bildverarbeitung HALCON von MVTec umgesetzt. Diese Bildverarbeitungssoftware setzt das Gesehene in Echtzeit in Motorik-Befehle um. So ist der Robonaut 2 in der Lage, einen Text in ein Handy einzugeben, Schalter zu erkennen und zu bedienen sowie Werkzeuge aufzunehmen und einzusetzen. Der Robonaut 2 kann also selbstgesteuert Arbeiten übernehmen, beispielsweise außerhalb der Raumstation. Dort soll er tatsächlich eingesetzt werden, um die Astronauten zu entlasten.

In Zusammenarbeit mit der italienischen Raumfahrtagentur modifizierte die NASA das MPLM Leonardo. Für den permanenten Verbleib an der ISS mussten die Schilde gegen Weltraummüll und Mikrometeoriten verstärkt werden. Außerdem wurden nicht mehr benötigte Komponenten aus dem Modul entfernt, um mehr Fracht transportieren zu können. An Bord der ISS dient das Modul seither als Arbeits-, Wohn- und Stauraum für die Astronauten und Kosmonauten.

Nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn öffnete die Besatzung die Frachtraumtüren der Discovery, testete den Greifarm RMS in seinen verschiedensten Funktionen, klappte die für das Rendezvous erforderliche Ku-Band-Antenne aus und begann mit der Angleichung der Flugbahn zur Internationalen Raumstation. Ebenso montierten sie im "Orbiter Docking System" die "Centerline Camera", die Kommandant Steven Lindsey das spätere Docking erleichtern soll.
Außerdem wurde der Hitzeschild der Discovery auf eventuelle Schäden untersucht, die beim Start durch sich vom Außentank ablösende Isolierschaumstücke entstanden sein könnten. Dabei wurde der OBSS-Inspektionsarm eingesetzt, der nach dem Columbia-Unglück entwickelt wurde. Der OBSS ist ein 15 Meter langer "Aufsatz", der mit dem Roboterarm des Shuttles verbunden wird. Der Kopf des OBSS ist mit Laser-Sensoren und hochauflösenden Kameras ausgestattet und tastet halbautomatisch die Hitzeschutzkacheln des Orbiters ab.

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 26. Februar 2011, 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 Steven Lindsey die manuelle Steuerung und flog entlang des sogenannten "R-Bar" (gedachte Verbindungslinie zwischen der Raumstation und dem Erdmittelpunkt) hinauf zur ISS. In der Nähe der Station führte Steven Lindsey ein spektakuläres 360°-Manöver - das Rendezvous Pitch Maneuver (RPM) - durch, wobei er die Raumfähre innerhalb weniger Minuten um ihre Querachse drehen ließ. Die Besatzung der Raumstation fertigte währenddessen hochauflösende Aufnahmen des Shuttle-Hitzeschildes an. Die Aufnahmen werden später zur Erde übertragen und von Fachleuten ausgewertet. Mit einer direkt vor der ISS reduzierten Annäherungsgeschwindigkeit auf zuletzt nur noch 3 Zentimeter pro Sekunde flog der Orbiter auf den Ankopplungsstutzen der Internationalen Raumstation zu. 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.
Zum ersten Kontakt (Soft Capture) kam es um 19:14 UTC, jedoch musste man aufgrund der relativen Bewegungen zwischen Station und Shuttle etwa 40 Minuten warten, bis man den Andockring des Shuttles einfahren konnte um die verbleibende Lücke zu schließen (Hard Dock). Man begann danach die Vorbereitung zum Öffnen der Luken, sodass die Besatzungen von STS-133 und ISS Expedition 26 sich um 21:16 UTC begrüßen konnten. Mit der Discovery befanden sich erstmals sieben individuelle Raumfahrzeuge (Neben ihr je zwei Sojus- und Progress-Raumschiffe sowie einem Automated Transfer Vehicle und einem H-2 Transfer Vehicle) mit einer Gesamtmasse von etwa 530 Tonnen an der Raumstation. Dies entspricht knapp dem Abfluggewicht eines Airbus A380. Nach der üblichen Sicherheitseinweisung wurde, trotz Überschreitung der normalen Arbeitszeit, von Michael Barratt und Nicole Stott noch am selben Tag mit Hilfe des Greifarms der Raumstation der Express Logistic Carrier 4 aus der Ladebucht des Space Shuttle gelöst. Sie übergaben ihn dem Greifarm 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 manövriert. 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 der Gitterstruktur ITS. 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 der Gitterstruktur ITS 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 das CETA und reparierte ein Ventil auf der Gitterstruktur ITS, 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.

Am 07. März 2011 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 Eric Boe die Orbitalstation eineinhalb Mal, ehe die Triebwerke der Discovery erneut gezündet wurden und der Raumgleiter seine Distanz vergrößerte. Der Orbiter stoppte dann in einer Entfernung von etwa 75 Kilometer. Mit Hilfe des OBSS wurde eine letzte Überprüfung des Hitzeschutzschildes vorgenommen. Im Notfall hätte das Space Shuttle zur Internationalen Raumstation zurückkehren können.