10 ноября 2008 года. JAXA и НАСА объявили о назначении в экипаж шаттла STS-131 японского специалиста полёта Наоко Ямадзаки (Naoko Yamazaki).
5 декабря 2008 года. Объявлен (пресс-релиз NASA № 08-321) состав экипажа шаттла, которому предстоит полёт по программе STS-131 в 2010 году:
Cdr - Alan Poindexter (2)
Plt - James Dutton (1)
MS-1 - Rick Mastracchio (3)
MS-2 - Dorothy Metcalf-Lindenburger (1)
MS-3 - Stephanie Wilson (3)
MS-4 - Naoko Yamazaki (1)
MS-5 - Clayton Anderson (2)
20 декабря 2009 года. С завода Michoud Assembly Facility (Мичауд) компании Lockheed Martin, расположенном в Новом Орлеане, на барже Pegasus в Космический центр им. Кеннеди (Kennedy Space Center) отправлен внешний топливный бак ET-135, предназначенный для запуска шаттла Discovery по программе STS-131.
26 декабря 2009 года. Внешний топливный бак ET-135 доставлен в Космический центр им. Кеннеди (Kennedy Space Center).
17 февраля 2010 года. Старт корабля многоразового использования Discovery к Международной космической станции (МКС) перенесен с 18 марта на 5 апреля. Причиной задержки стала холодная погода в районе космодрома на мысе Канаверал, которая помешала перевозке шаттла из ангара в здание вертикальной сборки.
22 февраля 2010 года. Корабль Discovery был доставлен из ангара в здание вертикальной сборки в Космическом центре имени Кеннеди на мысе Канаверал. Данная операция была осуществлена на один день раньше, чем первоначально планировалось - инженеры воспользовались благоприятной погодой, которая сейчас стоит на восточном побережье США.
2 марта 2010 года. Экипаж шаттла Discovery прибыл на мыс Канаверал для проведения тренировок.
3 марта 2010 года. В Космическом центре имени Кеннеди проведена операция по транспортировке корабля Discovery из здания вертикальной сборки на стартовую площадку LC-39A. Шаттл покинул здание в 04:58 UTC (07:58 мск), и был установлен на стартовой площадке в 11:48 UTC (14:48 мск).
1 апреля 2010 года. Экипаж космического корабля Discovery прибыл в Космический центр имени Кеннеди на мысе Канаверал. Астронавтам в оставшиеся до старта дни предстоит пройти медицинское исследование и провести заключительные тренировки.
5 апреля 2010 года. Стартовал 5 апреля 2010 года в 10:21:25 UTC (14:21:25 мск) из Космического центра имени Кеннеди (NASA Kennedy Space Center), стартовый комлекс LC39A (78-е использование стартового комплекса; географические координаты комплекса 28,6083 N; 80,6041 E, подвижная стартовая платформа MLP-2). 131-й полет МТКК - программа полета STS-131 (обозначение миссии к МКС - 19A), внешний топливный бак ET-135, твердотопливные ускорители – комплект BI-142 с двигателями RSRM-110, 38-й полет OV-103 Discovery.
6 апреля 2010 года. Специалисты NASA обнаружили у стартовавшего 5 апреля шаттла Discovery неисправность антенны сантиметрового диапазона (Ku-Band), обеспечивающей передачу на Землю скоростных данных - в том числе телевизионных сигналов. Помимо этого вышедшая из строя антенна используется при стыковке шаттла с МКС.
7 апреля 2010 года. В 07:44 UTC (11:44 мск) шаттл Discovery, совершающий полет по программе STS-131, успешно состыковался с Международной космической станцией. Стыковка проводилась в ручном режиме, ее выполнил командир экипажа Discovery Алан Пойндекстер, ему ассистировал пилот шаттла Джеймс Даттон.
9 апреля 2010 года - первый выход в открытый космос. Во время выхода астронавты Ричард Мастраккио и Клейтон Андерсон выполнили первый этап работ по замене на МКС бака с аммиаком. Астронавты открутили болты крепления, фиксирующие новый бак в грузовом отсеке шаттла. Затем с помощью дистанционного манипулятора МКС, которым управляли Джеймс Даттон и Стефани Уилсон, бак был извлечён наружу, перенесён на станцию и временно установлен на одной из внешних складских платформ. Кроме того, астронавты сняли образцы материалов, которые экспонировались в условиях открытого космоса на японском моделе «Кибо» и заменили гироскоп навигационной системы на ферме S0.
Выход астронавтов в открытый космос начался в 05:31 UTC (09:31 мск), после того как астронавты вошли в ШО Quest и переключили питание скафандров на автономные батареи. Вернувшись на борт корабля в 11:58 UTC (15:58 мск) астронавты начали наддув ШО Quest. Продолжительность пребывания астронавтов в открытом космосе составила .
10 апреля 2010 года. NASA на один день продлило полет космического корабля Discovery. Такое решение было принято в пятницу 9 апреля в связи с необходимостью провести традиционное перед посадкой обследование внешней обшивки корабля и передать данные на Землю.
11 апреля 2010 года - второй выход в открытый космос. Во время выхода астронавты Ричард Мастраккио и Клейтон Андерсон демонтировали израсходованную цистерну с аммиаком с правого борта станции и установили новую. Работы были осложнены проблемой с установкой одного из четырех подпружиненных крепежных болтов, с которым астронавты провозились почти полтора часа.
Выход астронавтов в открытый космос начался в 05:30 UTC (09:30 мск), после того как астронавты вошли в ШО Quest и переключили питание скафандров на автономные батареи. Вернувшись на борт корабля в 12:56 UTC (16:56 мск) астронавты начали наддув ШО Quest. Продолжительность пребывания астронавтов в открытом космосе составила .
13 апреля 2010 года - третий выход в открытый космос. Во время выхода астронавты Ричард Мастраккио и Клейтон Андерсон установили демонтированный во время прошлого выхода старый бак с аммиаком в грузовой отсек шаттла.
Выход астронавтов в открытый космос начался в 06:14 UTC (10:14 мск), после того как астронавты вошли в ШО Quest и переключили питание скафандров на автономные батареи. Вернувшись на борт корабля в 12:38 UTC (16:38 мск) астронавты начали наддув ШО Quest. Продолжительность пребывания астронавтов в открытом космосе составила .
15 апереля 2010 года. NASA рассматривало вопрос о дополнительном выходе в открытый космос астронавтов Discovery для починки заклинившего клапана в системе охлаждения МКС. Однако в результате было принято решение отказаться от внепланового выхода. По мнению специалистов, система терморегулирования американского сегмента МКС способна в течение длительного времени работать в том состоянии, в котором находится сейчас, с застрявшим клапаном подачи азота.
16 апереля 2010 года. В ходе отстыковки грузового модуля Leonardo астронавты столкнулись с трудностями. Им пришлось в течение нескольких часов бороться с неподдающимися крепежами, с помощью которых модуль пристыковывается к станции. Когда модуль был освобожден от крепежей, астронавты переместили его к грузовому отсеку шаттла с помощью манипулятора.
17 апереля 2010 года. Переходные люки между шаттлом Discovery и МКС были закрыты около 10:30 UTC (14:30 мск). В 12:52 UTC (16:52 мск) шаттл Discovery отстыковался от МКС и после облёта станции перешёл в режим автономного полёта.
19 апереля 2010 года. Примерно в 11:15 UTC (15:15 мск) полет шаттла Discovery был продлен на один виток из-за неблагоприятных условий посадки в районе Космического центра имени Кеннеди на мысе Канаверал. Тем самым шаттл пропускает первую возможность посадки в 12:48 UTC (16:48 мск). Если позволят метеоуслвоия, то посадка состоится в 14:23 UTC (18:23 мск).
Примерно в 13:10 (17:10 мск) из-за неблагоприятных погодных условий NASA отложило посадку шаттла Discovery на сутки. Теперь планируется, что она состоится 20 апреля в 11:33 UTC (15.33 мск).
20 апереля 2010 года. Посадка на 237 витке была отменена из-за плохих метеоусловий и перенесена на один виток. В 12:03 UTC (16:03 мск) двигатели шаттла были включены на торможение и проработали 2 м 57 сек. Посадка шаттла Discovery STS-131 была произведена на полосу 33 (RW33) Космического центра имени Кеннеди на мысе Канаверал (Kennedy Space Center) во Флориде. Задние колеса шаттла коснулись посадочной полосы 20 апреля в 13:08:35 UTC (17:08:35 мск), переднее колесо - в 13:08:47 UTC (17:08:47 мск). Полностью корабль остановился в 13:09:33 UTC (17:09:33 мск). Продолжительность полёта составила
.