Wichtigstes Ziel der Mission ist der Transport von Ausrüstungsgegenständen und wissenschaftlichen Geräten zur ISS. Darunter befindet sich auch ein neues Laborrack namens Materials Science Laboratory (MSL), das vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gesteuert wird. Im MSL sollen materialwissenschaftliche Experimente bei hohen Temperaturen durchgeführt werden. An Bord der Discovery ist auch die neue Gefriereinheit MELFI (Minus Eighty Laboratory Freezer for ISS), in der wissenschaftliche Proben aufbewahrt werden. Darüber hinaus soll der 30. Shuttleflug zur ISS Kleidung, Wasser und ein zweites Fitnessgerät (Laufband) für die ISS-Besatzung liefern. Das japanische Forschungsmodul "Kibo" erhält zwei neue Schlafkabinen.

Für den Europäer Fuglesang an Bord des Space Shuttle ist diese Mission bereits der zweite Raumflug. Fuglesang ist für den Betrieb des amerikanischen Mehrzweck-Logistik-Moduls "Leonardo" (MPLM) verantwortlich. In der sieben Tonnen schweren Nutzlast ist ein Großteil der neuen Transportgüter untergebracht. Außerdem wird Fuglesang an zwei Außenbordeinsätzen teilnehmen.

Während des dreizehntägigen Flugs sind insgesamt drei Außenbordeinsätze von je rund 6,5 Stunden geplant. Unter anderem sollen Experimente auf der Außenplattform am europäischen Weltraumlabor Columbus ausgetauscht werden. Es ist der 37. Flug für die Discovery. Bis zur Stilllegung der Shuttleflotte im Jahr 2010 sollen noch sechs weitere Starts folgen.