Le retour de Discovery sur terre a été la première rentrée dans l'atmosphère de côte à côte par une navette spatiale depuis la destruction de Columbia au dessus du Texas en 2003. La trajectoire d'atterrissage a démarré au dessus de la Colombie Britannique, puis a traversé en diagonale d'est en ouest les grandes plaines et plusieurs états du sud des USA.

La descente a commencé à 17:59 heure française, quand le commandant de bord Pam Melroy et le pilote George Zamka ont mis a feu les réacteurs pendant environ deux minutes pour ralentir le véhicule. A 18:30, la navette a subi les effets de l'atmosphère, un stade appelé "l'interface d'entrée", et cinq minutes plus tard a commencé une série de manœuvres facilitant le ralentissement et l'évacuation de l'excès d'énergie.

L'équipage avait achevé les préparatifs d'atterrissage plus tôt, y compris le changement de tenue pour la scaphandre orange spécialement conçu pour la manœuvre d'entrée, les tests de contrôle des systèmes de vol, l'arrimage de l'équipement et l'installation d'un siège spécialement incliné pour l'astronaute Clay Anderson qui revient d'un séjour de cinq mois en apesanteur à bord de l'ISS.

Le plan original d'atterrissage prévoyait un atterrissage avant l'aube en Floride, avec un vol passant au dessus de l'Amérique Centrale et les Caraïbes. Cependant, la fatigue de l'équipage après une mission longue et animée a conduit la NASA à changer ses plans.

La navette s'est désarrimée de la station spatiale lundi, et le mardi a été consacré à s'assurer que tout était prêt pour la rentrée, l'équipage ayant utilisé un laser sur une perche pour vérifier les éventuels dommages causés par des micrométéorites.

Au cours de leur mission de 15 jours, les astronautes ont eu affaire à deux problèmes sur la station spatiale – un joint articulé permettant à une batterie de capteurs solaires de se positionner face au soleil et dont le fonctionnement est devenu alarmant, et un accroc dans les panneaux solaires pendant leur déploiement. L'équipage a passé sa quatrième sortie dans l'espace pour en réparer le trou. L'articulation malade devra attendre, bloquée dans une position médiane, que le problème de sa rotation grinçante soit résolu.

Les astronautes ont également installé un futur sas, nommé Harmony, de fabrication italienne et devant permettre la connexion de l'ISS avec les laboratoires européens et japonais encore à venir. Ils ont également déplacé une poutre et sa batterie solaire à sa place définitive sur le côté de l'ISS.

Enfin, l'astronaute Daniel Tani a pris la relève de son camarade américain Clay Anderson.