Celem lotu było dostarczenie zaopatrzenia dla stacji, przewożonego w nowym module Raffaello. 7 grudnia wahadłowiec połączył się z ISS. Po ponad dwóch godzinach jego załoga przeszła na pokład stacji. 8 grudnia rano astronauci wymienili fotele indywidualne oraz skafandry w statku kosmicznym Sojuz TM-33. W godzinach popołudniowych zaś przy wykorzystaniu ramienia RMS przyłączono moduł Raffaello do modułu Unity. 10 grudnia Linda Godwin i Daniel Tani przez ponad cztery godziny pracowali na zewnątrz stacji przy serwisowaniu baterii słonecznych. 13 grudnia Jurij Onufrijenko, dowódca Ekspedycji 4, przejął komendę nad ISS. Podczas misji dwukrotnie zwiększano wysokość orbity kompleksu. 14 grudnia moduł Raffaello powrócił do ładowni wahadłowca. Dzień później prom odcumował od stacji, zabierając na pokład członków trzeciej stałej załogi ISS: Franka L. Culbertsona (MS-3), Władimira N. Dieżurowa (MS-4) oraz Michaiła W. Tiurina (MS-5). Wahadłowiec jeszcze przez dwa dni pozostawał na orbicie okołoziemskiej. W tym czasie astronauci umieścili w przestrzeni kosmicznej satelitę STARSHINE-2.