改进集中在计算机与数据传输
联盟TMA-01M是联盟TMA-M改型的首次飞行。这一项目由俄罗斯联邦航天局委托，科罗廖夫能源火箭航天集团承担主要研制工作。它保留联盟飞船的基本外形、载人运输任务和轨道舱、返回舱、仪器推进舱布局，重点更换制导、导航、控制与测量系统中的设备，并加强与国际空间站俄罗斯舱段计算机的数据交换。
NASA发射前资料册指出，较轻的新航电使飞船质量减少约七十千克，腾出一些载荷余量，但没有增加大件货物的容积。早先的TMA-15和TMA-18已用过新式“海王星”数字显示面板，七艘进步货运飞船也试用过新航电计算机；TMA-01M把两者整合。称它为“数字联盟”时，重点在这次系统换代，而不是说此前飞船从未使用过计算机。
新飞船上的三名乘员
指令长亚历山大·卡列里已经完成四次太空任务，也曾参与和平号空间站的设计文档和试验工作。这次是奥列格·斯克里波奇卡的首次飞行；他此前在能源集团从事运输和货运飞船工程。美国国家航空航天局宇航员斯科特·凯利则有两次航天飞机飞行经历。飞船指令长与空间站指令长是不同职务，凯利后来担任第二十六远征队指令长，卡列里仍负责联盟飞船的飞行与返回。
2010年10月7日23时10分55秒左右，联盟-FG火箭从哈萨克斯坦拜科努尔升空。按当地时间已是10月8日清晨5时10分，因而两种发射日期指向同一次事件。飞船经过约两天追赶，于UTC10月10日零时01分左右与空间站“探索”舱对接。三人加入道格拉斯·惠洛克、香农·沃克和费奥多尔·尤尔奇欣，补足第二十五远征队的六人编制。
停靠期间仍是返回工具
对接后，联盟飞船承担长期驻留乘组的返回和应急撤离任务。新系统的设计目标之一，是让空间站自动向飞船传递有关参数，减少旧方案中地面定期开启飞船计算机、乘员手工输入应急离站及离轨数据的工作。热控系统也因新航电而调整，包括安装冷板及改进热控泵。
首飞检验并未在对接时结束。欧洲航天局2011年3月的运行报告记录，飞船发射后曾出现仪器故障；卡列里在2月为“海王星-ME”乘员控制台安装滚转速率仪器。返航前，地面团队安排离站后的手动姿态保持和滚转速率测试，原拟开展的绕站飞行则因可行性原因取消。这些处置显示，新型号的日常运输与工程验证是同时进行的。
乘组工作与样品返回
科研大多在空间站内完成，联盟飞船把人员和部分成果带回地面。2011年2月28日和3月4日，凯利为“太空中的有色真菌”实验样品拍摄照片，图像由瑞士苏黎世的生物技术空间支持中心接收。这项研究观察不同真菌的生存与生长。其短期活体培养样品由发现号航天飞机带回，不能计入TMA-01M的返回载荷。
与这艘联盟直接相关的是Matroshka人体模型辐射实验。3月10日，保罗·内斯波利把模型从日本“希望”实验舱移往俄罗斯舱段，卡列里和斯克里波奇卡拆下其中的被动剂量计。这些仪器记录模拟人体头部和躯干内的累积辐射暴露，随后确实随TMA-01M于3月16日返回，准备送往德国科隆的德国航空航天中心分析。运行报告确认的是数据载体回收，未在此公布最终剂量结果。
离站测试后安全着陆
3月13日，三人进行返回程序演练，地面同时指挥检查运动控制系统、手柄和制动推力器。UTC3月16日4时27分，TMA-01M离开“探索”舱，第二十六远征队任务随之结束。离站后的两项航电测试均获成功，乘组因而保有两种自动和两种手动着陆模式。
飞船约在7时03分进行持续4分17秒的离轨制动，随后分离舱段。返回舱于7时54分左右降落在阿尔卡雷克附近的哈萨克斯坦草原；当地时间为13时54分。俄罗斯搜救人员在严寒中协助三人出舱。NASA总结三人的太空飞行约159天，其中约157天在空间站。这次飞行既完成乘组轮换和科研载荷返回，也为改型航电留下了实际运行、故障处置及返回测试的记录。