以空间站装备更新为中心
STS-131是美国国家航空航天局（NASA）使用“发现”号航天飞机执行的一次国际空间站补给与维修任务，也是这架轨道器的第38次飞行。任务不是运送一艘独立探测器，而是把科研机架、生活设备和维修备件送入已有人长期驻留的空间站，再带回实验物品和需要检查的旧设备。
意大利制造的“莱昂纳多”多用途后勤舱装在航天飞机货舱内，提供可加压的运输空间。为增加运力，工程人员在这次飞行前拆除了约178磅非关键硬件。NASA年度报告记载，舱内运送的货物超过一万七千磅，约合7.7吨；16套科研、系统和储物机架完成了转移，其中并非全部都是实验装置。
乘员与地面控制的分工
指令长艾伦·波因德克斯特与驾驶员詹姆斯·达顿负责飞行操作。任务专家里克·马斯特拉奇奥、克莱顿·安德森承担舱外作业；斯蒂芬妮·威尔逊、多萝西·梅特卡夫－林登伯格以及日本宇宙航空研究开发机构的山崎直子参与机械臂、货物转运与舱内任务。机上共有七名乘员。
约翰逊航天中心的飞行控制团队按班次工作。任务资料包列出理查德·琼斯为领班飞行主任，迈克·萨拉芬负责另一在轨班次，金杰·克里克负责计划班次。地面工程师、航天飞机乘员和空间站人员需要共同安排设备移动、气闸使用以及供电和通信，外部维修不能脱离舱内操作单独进行。
发射、对接与通信替代方案
2010年4月5日世界时10时21分，即佛罗里达当地夏令时6时21分，“发现”号从肯尼迪航天中心39A发射台升空。4月7日世界时7时44分，它与国际空间站对接。这两个时刻分别标记任务起飞和抵达轨道工作地点。
入轨后，航天飞机的Ku波段系统未能正常工作，影响交会雷达和高速数据传输。团队利用空间站的下传能力补足数据链路。热防护系统检查影像也需要在分离前经空间站传回地面，任务因此延长一天，让地面完成检查后再安排离站。
三次舱外作业更换氨罐
马斯特拉奇奥与安德森完成三次舱外活动，累计20小时17分钟，主要工作是替换空间站外部热控制系统中已消耗的氨储罐。新罐从航天飞机货舱移至空间站桁架，旧罐则要固定回货舱随飞船返回。机械臂负责搬运大型组件，宇航员处理紧固件、连接器和管路。
作业遇到紧固螺栓困难，部分工作必须顺延。NASA年度报告也列出氮罐组件阀门故障，说明安装完成与所有配套部件正常工作是两个层次。除更换氨罐外，乘员还取回日本舱外实验载荷；这类返回物为地面检查提供了实物，而不是只留下遥测记录。
送上去的是持续研究的条件
“莱昂纳多”携带四套科研机架：窗口观测研究设施、7号快速实验机架、肌肉萎缩研究与运动系统，以及第三套零下八十摄氏度实验室冷冻柜。另有居住与储物设备。冷冻柜用于保存血液、尿液和植物等样品，延缓样品状态变化，以便之后返回地面分析。
窗口观测设施安装在“命运”实验舱朝向地球的窗口处，为相机和遥感设备提供支承、供电和数据接口；肌肉研究装置则通过座椅、固定部件、驱动机构和测量软件，支持多个关节的受力与运动研究。欧洲空间局的同期报告记录，这两套设备已分别转入相应实验舱，完成运输并不意味着有关科研结论已经产生。
回收货物与延后着陆
4月17日，“发现”号与空间站分离，绕站拍摄后驶离。返回货物中包括欧洲液体实验的硬件，以及由空间站冷冻设备转入返回用冷冻容器的科研样品。这使轨道作业与地面检测能够衔接，也发挥了航天飞机可带回较大设备的运输能力。
天气又使着陆延后一天。“发现”号最终于4月20日世界时13时8分，即当地夏令时9时8分，在肯尼迪航天中心着陆，实际航程约十五天。此次飞行完成主要补给与维修目标，并把“莱昂纳多”带回地面，为其随后改作空间站常驻舱段作准备；发射、对接、离站和着陆各自对应不同的任务阶段。