Schwer beladen mit Versorgungsgütern und Ersatzteilen für die ISS hob die US Raumfähre „Discovery“ am 05.04.2010 um 10:21 UTC von Cape Canaveral zur Mission STS-​131  ab. ISS Aufbauflug ISS-​19 A („Discovery“ F-​38) stand unter dem Kommando von Alan Poindexter. Pilot James Dutton war einer von drei Neulingen in der Crew und zählte damit zu den letzten, die ihren Erstflug noch mit einem Space Shuttle erlebten. Weiterhin waren fünf Missionsspezialisten an Bord: Richard Mastracchio, Dorothy Metcalf-Lindenburger, Stephanie Wilson, Naoko Yamazaki und Clayton Anderson. Nach dem pünktlichen Start erreichte die „Discovery“ ohne Schwierigkeiten den vorgesehenen Orbit. Doch Probleme bereitete nach dem Öffnen der Nutzlasttore die Ku-​Band Antenne, über die ein Großteil der Kommunikation mit dem Boden lief, die aber auch als Radarantenne bei der Annäherung an die Internationale Raumstation genutzt wurde. Die Probleme verhinderten zunächst die Übertragung von hochauflösenden Bildern des Shuttle Außentanks. Diese wurden seit dem „Columbia“ Unglück regelmäßig angefertigt, um Hinweise auf eventuell abgeplatzen Isolierschaum zu finden, der Schäden am Hitzeschild des Shuttle verursacht haben konnte. Diesmal blieb also nur, eine Auswahl der Bilder von den Astronauten begutachten zu lassen, und die Masse der Bilder dann nach dem Docking über die Systeme der ISS zu senden. Das galt auch für die Daten des Orbiter Boom Sensor System (OBSS), mit dem am zweiten Flugtag der Hitzeschild des Shuttle inspiziert worden war. Am 07.04.2010 vollführte die „Discovery“ dann den typischen Anflug auf die ISS, bevor sie um 07:44 UTC ankoppelte. Kurz darauf begannen bereits die Vorbereitungen auf das erste Außenbordmanöver, das für den 09.04.2010 geplant war. Doch zunächst wurde am 08.04.2010 das Multi-​purpose Logistics Module (MPLM) „Leonardo“ aus der Nutzlastbucht des Shuttle herausgehoben und um 04:42 UTC an die Station angekoppelt. Damit konnte auch der Transfer der darin verstauten Güter begonnen werden. Zunächst wurde ein neuer Ammoniaktank für das Kühlsystem der ISS mit dem SSRMS (Space Station Remote Manipulator System) aus der Nutzlastbucht des Shuttle herausgehoben und außen an einem der ISS Gittersegmente zwischengelagert. Bei dieser spezifischen Ammonia Tank Assembly (ATA) handelte es sich um ein Exemplar, das bei der STS-​128  Mission ausgetauscht und auf der Erde neu befüllt worden war. Erste Aufgabe von Mastracchio und Anderson nach dem Start der EVA um 05:31 UTC war es also, die Verankerungen der ATA in der Nutzlastbucht zu lösen. Danach bauten sie am japanischen „Kibō“ Modul ein Experiment mit Saatgutproben ab und montierten einen Adapter für den Canadarm am neuen Ammoniaktank. Anschließend tauschten sie ein defektes Gyroskop der Station aus, um sich dann diversen vorbereitenden Tätigkeiten für die nächsten Außenbordmanöver zu widmen. Insgesamt verbrachten Mastracchio und Anderson 6:27 h außerhalb der Station. Am nächsten Tag waren beide Mannschaften hauptsächlich mit dem Transfer von Gütern aus dem MPLM beschäftigt. So wurde die Windows Observational Research Facility (WORF) ins „Destiny“ Modul geschafft und die beiden japanischen Astronauten luden das Express Rack 7 aus. Während ihrer Arbeiten wurden die Crews von einem Rauchmelder aufgeschreckt, der im russischen Segment der ISS irrtümlich Alarm ausgelöst hatte. Für Mastracchio und Anderson begannen am Ende des Tages, in dessen Verlauf die NASA die Verlängerung der Mission um einen Tag bekannt gegeben hatte, schon wieder die Vorbereitungen auf ihre nächste EVA. Diese startete am 11.04.2010 um 05:30 UTC mit 45 min Zeitvorsprung gegenüber dem Flugplan. Erste Aufgabe war es, die alte ATA vom S1 Truss zu lösen und die neue zu montieren. Probleme bereitete dabei einer von vier Bolzen, der sich zunächst nicht festziehen lassen wollte. Nachdem die drei anderen nochmals gelockert worden waren, konnte die ATA aber ordnungsgemäß gesichert werden. Bis auf die Kühlmittelleitungen wurden alle Zuleitungen zu dem Tank angeschlossen. Die letzten Arbeiten wurden wegen Zeitnot auf die dritte EVA verschoben. Dennoch konnten Mastracchio und Anderson noch einige untergeordnete Arbeiten erledigen, bevor sie nach 7:26 h ihre EVA beendeten. Bis auf einige Pressekonferenzen und Medienereignisse war der folgende Tag für die beiden Mannschaften weitgehend arbeitsfrei. Am 13.04.2010 um 06:14 UTC stiegen Mastracchio und Anderson erneut aus der „Quest“ Luftschleuse aus. Sie schlossen die Ammoniak– und Stickstoffleitungen an der getauschten ATA an, sicherten die alte Einheit in der Shuttle Nutzlastbucht (wobei wieder Probleme mit einem der Bolzen auftraten) und demontierten einige Mikrometeoritenschilde (MMODs). Außerdem brachten sie die Greifhilfe von der alten ATA an der neuen an, so daß diese mit dem Manipulatorarm bewegt werden konnte. Schließlich bereiteten sie noch einige Kabelverbindungen vor, die während der STS-​132  Mission verlegt werden sollten, brachten Werkzeuge in Position und setzten einen Fußtritt um. Die letzte der drei EVAs hatte 6:24 h gedauert. Am 14.04.2010 wurden die Transfers vom und zum „Leonardo“ Modul abgeschlossen, dann konnten sich die Crews wieder über etwas Freizeit freuen. Für den nächsten Tag war das Abdocken des MPLM von der ISS geplant. Doch zunächst wollte sich das Frachtmodul nicht vom Common Berthing Mechanism (CBM) des „Harmony“ Moduls lösen. Ursache war ein gebrochener Stift an einem der Bolzen, mit denen das MPLM quasi mit der ISS „verschraubt“ worden war. Das Problem konnte gelöst werden, brachte lediglich den Zeitplan etwas durcheinander. Die Trennung war am 15.04.2010 um 20:24 UTC vollzogen und am 16.04.2010 wurde „Leonardo“ schließlich in der Nutzlastbucht der „Discovery“ verstaut und gesichert, bevor mit der nochmaligen Inspektion des Shuttle Hitzeschildes begonnen wurde. Wegen des Ausfalls der Ku-​Band Antenne fand diese ausnahmsweise statt, während das Shuttle noch mit der ISS verbunden war. Am 17.04.2010 um 12:52 UTC koppelte die „Discovery“ dann wieder von der ISS ab. Kurz darauf wurden Manipulatorarm und OBSS in der Nutzlastbucht gesichert, da sie bei dieser Mission nicht mehr zum Einsatz kommen sollten. Die Crew bereitete nun die Rückkehr zur Erde vor. Vorgesehen war die Landung für den 19.04.2010. An diesem Tag waren alle Vorbereitungen bereits abgeschlossen, als etwa eine Stunde vor dem geplanten Landetermin die Information eintraf, daß das Wetter mindestens eine Verschiebung um einen Orbit erforderlich machte. Doch die Bedingungen in Cape Canaveral besserten sich nicht, so daß die Landung um einen vollen Tag verschoben wurde. Am 20.04.2010 um 13:09 UTC setzte die „Discovery“ schließlich nach einem Flug von 362:47 h auf der Runway 33 des KSC auf und nutzte damit die zweite Gelegenheit des Tages. Es war mit über fünfzehn Tagen der längste Flug dieses Orbiters.