更换飞船后的起飞
联盟TMA-04M原以2012年3月发射为目标。日本宇宙航空研究开发机构的任务记录指出，俄罗斯能源公司进行压力试验时，原定机体受到损伤；俄方决定不用这艘机体执行任务，准备替换飞船所需的时间使发射推迟。
实际起飞发生在5月15日协调世界时（UTC）03时01分，地点是哈萨克斯坦拜科努尔发射场，运载工具为联盟-FG火箭。俄罗斯航天员根纳季·帕达尔卡担任飞船指令长，同行者为谢尔盖·列温和美国国家航空航天局（NASA）的约瑟夫·阿卡巴。美国中部夏令时当时仍为5月14日22时01分，NASA的当天发布稿采用了这个日期。
对接之后的安全检查
飞船经过约两天追赶，于5月17日与国际空间站“探索”号小型研究舱对接。NASA当日日报记载接触时刻为UTC04时36分，比预定时间早约两分半。帕达尔卡随后在飞船一侧进行气密检查，观察轨道舱抽气后的压力变化。
打开舱门后，乘员一时没有找到供手工安装的快卸螺旋夹具，莫斯科控制中心于是闭合空间站一侧的对接钩，使两侧对接钩都处于闭合状态。三名新到人员随后接受驻站指令长奥列格·科诺年科的安全说明，熟悉失压、火灾和有毒物质泄漏时的分工，并练习从各舱段返回飞船的逃生路线。
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把实验硬件送进长期使用的实验室
进入空间站后，列温与帕达尔卡开始卸货并登记库存。列温把随船运来的十七个被动式辐射剂量计交给唐纳德·佩蒂特，后者将其安装在日本实验舱的加压舱段和实验后勤舱内，并拍照记录位置。同批转移的俄罗斯生物技术载荷包括KASKAD生物反应器及其他需要温控的实验装置。
这些载荷随后进入持续操作。9月5日日报记载，列温按规程摇动放在外壳中的生物反应器上部两分钟，随后将它放回摄氏29度的培养设备。这是8月23日开始、计划持续二十一天且早晚各做一次的实验程序。
舱内人员怎样支援舱外维修
驻站工作还需要保持空间站设备可用。9月5日，苏尼塔·威廉姆斯和星出彰彦出舱，更换电力系统的主汇流切换单元。阿卡巴负责舱内支援，设置穹顶舱机械臂工作站、测试摄像机，并协助两名出舱人员准备宇航服。
维修过程中，阿卡巴在尤里·马连琴科协助下操纵空间站机械臂，运送星出到工作位置。出舱人员清理、检查并润滑螺栓与插座，安装新的切换单元，还换下机械臂上故障的摄像照明组件。这次出舱持续六小时二十八分，新单元投入工作；回舱后，阿卡巴等人协助脱装，并回传宇航服手套的检查照片。
参考：[4]
将资料、样品和乘员送回
返航准备与实验收尾交叠。9月16日，阿卡巴完成本次驻站期间最后一次反应能力自测；该项五分钟测试用于记录疲劳和作息改变对注意力等表现的影响。列温则把KASKAD生物反应器转入联盟飞船，并拍照录像留存转移记录。
按照翌日汇总的实际经过，联盟TMA-04M在9月16日UTC23时09分脱离空间站。离站后，乘员利用新装的发光二极管照明灯观察对接接口，检验照明条件。9月17日UTC01时56分，飞船开始离轨制动，发动机工作四分十四秒，将速度降低约每秒115.2米。
在草原上结束约四个月的飞行
返回舱于9月17日UTC02时53分在阿尔卡雷克以北约八十五公里处着陆，当地已是早晨8时53分。舱体落地后侧翻，搜救人员很快接近，将三名状况良好的乘员接出。检查后，他们先由直升机送往库斯塔奈，再分赴各自的后续医疗与恢复地点。
NASA返航日报与日本方面的任务记录均将全程概括为约125天，其中约123天在空间站。三人离站后，威廉姆斯、马连琴科和星出继续留守，开始第33长期考察组的驻站工作。联盟TMA-04M带来的实验设备已经进入空间站，随返航送回的人员和部分实验材料则进入地面检查与分析阶段。