STS-114 war die erste Rückkehr zum Flug seit dem tragischen Verlust der Columbia am 1. Februar 2003. Zweieinhalb Jahre lang wurden Sicherheitsverbesserungen für Orbiter und externe Tanks erforscht und umgesetzt. Dazu gehörten eine gründlichere Untersuchung der verstärkten Carbon-Carbon-Paneele, die an den Flügelvorderkanten verwendet werden, sowie der Austausch von Schrauben und neue Schaumstoffanwendungen an den Tanks. Der Aufstieg der Discovery in die Erdumlaufbahn wurde durch ein System neuer und verbesserter bodengestützter Kameras, Radarsysteme und Kameras an Bord von Höhenflugzeugen umfassend dokumentiert. Die Bilder vom Start der Discovery und zusätzliche Bilder von Lasersystemen des neuen Orbiter Boom Sensor System Laserscanners der Discovery sowie Daten von Sensoren, die in den Flügeln des Shuttles eingebaut waren, halfen den Missionsmanagern, den Zustand des Wärmeschutzsystems der Discovery zu bestimmen. Als sich die Discovery am 28. Juli der Internationalen Raumstation näherte, fotografierten Stationskommandant Sergei Krikalev und Flugingenieur John Phillips mit Digitalkameras und leistungsstarken 800-mm- und 400-mm-Objektiven die Wärmeschutzkacheln der Discovery und wichtige Bereiche um die Haupt- und Bugfahrwerksklappen. Alle Bilder wurden an ein 200-köpfiges Team weitergeleitet, das sie auswertete. Vor dem Andocken an die Raumstation führte Kommandantin Eileen Collins das erste Rendezvous-Pitch-Manöver etwa 600 Fuß unterhalb der Station durch. Die Bewegung kippte das Shuttle um ein 3/4 Grad pro Sekunde und ermöglichte es den Besatzungsmitgliedern der Expedition 11, die Unterseite der Discovery und ihre hitzebeständigen Kacheln im Detail zu fotografieren. Die Aufnahmen während des Starts zeigten ein Stück Schaumstoff, das sich vom externen Tank löste, sowie kleinere Kacheln und Schaumstoffdellen. Auf den Bildern der Kacheln waren zwei Bereiche zu erkennen, in denen Lückenfüller hervortraten. Die Missionsmanager verbrachten mehrere Tage damit, festzustellen, ob von der Besatzung irgendwelche Maßnahmen verlangt werden würden. Es wurde beschlossen, Robinson den Versuch zu gestatten, die überstehenden Fugenfüller mit der Hand oder einer Zange herauszuziehen oder die Überstände mit einer Metallsäge zu entfernen. Die Astronauten besprachen den Umgang mit dem Roboterarm und arbeiteten an der Montage einer Bügelsäge für den Fall, dass sie diese benötigen sollten. Ein aufgeblasenes Stück Thermodecke in der Nähe des Cockpits wurde ebenfalls auf den Bildern entdeckt und wurde zu einem weiteren Problembereich. Tunneltests im Ames-Forschungszentrum der NASA in Kalifornien und weitere technische Analysen ergaben, dass es wenig Grund zur Besorgnis über die Freisetzung von Trümmern beim Wiedereintritt gab. Vor dem ersten Weltraumspaziergang führten Missionsspezialistin Wendy Lawrence und Pilot James Kelly den Roboterarm der Station, Canadarm2, um das Mehrzweck-Logistikmodul Raffaello aus der Ladebucht der Discovery zu heben und am Unity-Modul zu befestigen. Weitere Inspektionen der Discovery wurden von Mission Specialist Charles Camarda und Kelly durchgeführt. Während der Mission testeten und untersuchten die Astronauten Fliesen zur Demonstration von Reparaturtechniken. Weitere Zeit wurde damit verbracht, Ausrüstungsgegenstände und Vorräte auf die Station zu bringen und diese auf dem MPLM Raffaello für die Rückkehr zur Erde zu verstauen. Es wurden drei Weltraumspaziergänge geplant und durchgeführt, einschließlich einer zusätzlichen Aufgabe zur Entfernung des Lückenfüllers: EVA Nr. 1 - 6 Stunden, 50 Minuten, 30. Juli. Die Missionsspezialisten Stephen Robinson und Soichi Noguchi arbeiteten mit Kacheln und verstärktem Kohlenstoff-Kohlenstoff, die absichtlich am Boden beschädigt und in der Ladebucht der Discovery ins All gebracht worden waren. Sie testeten einen Emittance Wash Applicator für die Reparatur von Fliesen und Non-Oxide Adhesive eXperimental für die verstärkten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Proben. Außerdem installierten sie einen Sockel und die Verkabelung für eine Ablageplattform und leiteten den Strom zum Control Moment Gyroscope-2 um, einem der vier 600 Pfund schweren Gyroskope, die die Ausrichtung der Station in der Umlaufbahn steuern. EVA Nr. 2 - 7 Stunden, 14 Minuten, 1. August. Noguchi und Robinson entfernten das defekte CMG-1 und verstauten es. Sie holten das neue CMG aus der Nutzlastbucht und installierten es. Nun sind vier funktionierende CMGs auf der Raumstation im Einsatz. EVA Nr. 3 - 6 Stunden, 1 Minute, 3. August. Am Canadarm2 befestigt, wurde Robinson zu der Stelle an der Unterseite der Discovery gebracht, wo er vorsichtig die beiden überstehenden Lückenfüller zwischen den Wärmeschutzkacheln herauszog. Weitere Ereignisse waren die Installation einer externen Ablageplattform außerhalb der Station zur Aufnahme von Ersatzteilen und die Installation eines fünften Materials International Space Station Experiment (MISSE). Bei MISSE 5 werden Proben verschiedener Materialien mehrere Monate lang der rauen Weltraumumgebung ausgesetzt. Die Missionsmanager haben die Mission um einen weiteren Tag verlängert, der auf den dritten Weltraumspaziergang folgt. Sowohl die Besatzung der Discovery als auch die der Expedition 11 gedachten der Columbia-Besatzung und anderer Astronauten und Kosmonauten, die bei der Erforschung des Weltraums durch den Menschen ihr Leben verloren haben. Das MPLM wurde mit Hilfe des Roboterarms der Station vom Unity-Knoten gelöst und in die Ladebucht der Discovery zurückgebracht. Die Discovery und das MPLM transportierten 7.055 Pfund nicht benötigte Ausrüstung und Müll. Die OBSS wurde durch den Shuttle-Roboterarm wieder in der Ladebucht verankert, nachdem der Stationsarm den Ausleger übergeben hatte.
