STS-130 startete von Cape Canaveral (KSC) und landete wieder auf Cape Canaveral (KSC), Runway 15. Der erste Startversuch am 07. Februar 2010 um 09:39:50 UTC wurde kurz vor Verlassen der T-9-Minuten-Unterbrechung aufgrund eines Wolkenbandes über der Startanlage abgebrochen. Die Wolkenbank ließ aufgrund ihrer Lagehöhe und Größe eine Rückkehr zum Startplatz im Fall eines Abbruchs (Return To Launch Site, RTLS) nicht zu. Es wurde eine 24-stündige Verschiebung angeordnet.

STS-130 (ISS-20A Tranquility, Cupola) brachte den Verbindungsknoten Tranquility und die Aussichtsplattform Cupola zur Internationalen Raumstation.

Tranquility, ehemals Node 3, ist nach Unity (Node 1) und Harmony (Node 2) das dritte Verbindungsmodul der Internationalen Raumstation (ISS). Dort wurde es gegenüber dem Ausstiegsmodul Quest an die linke Seite des Verbindungsmoduls Unity gekoppelt. Tranquility enthält die am höchsten entwickelten Lebenserhaltungssysteme, die jemals in den Weltraum geflogen wurden. Sie werden zum einen die Abwässer aufbereiten, die für die Besatzung und die Sauerstoffproduktion genutzt werden. Weiterhin gehören Systeme zur Wiederherstellung der Atmosphäre, zur Filterung von Fremdstoffen aus der Luft und zur Kontrolle der Zusammensetzung der Atmosphäre zu dem Modul. Ebenfalls werden die Abfall- und Hygieneabteilungen der Bordcrew montiert. Tranquility liefert schließlich auch Platz für Strom-, Daten-, Kommando-, Temperatur- und Umweltsteuerungen.
Es ist 6,70 Meter lang und hat einen Durchmesser von 4,40 Meter. Die Startmasse betrug 15.500 Kilogramm.
An einem der Kopplungsstutzen des Tranquility-Moduls ist das Cupola-Modul angedockt, von dem aus der Greifarm Canadarm2 von einem Astronauten gesteuert werden kann, an einem weiteren der Kopplungsadapter PMA-3. Tranquility wird weiterhin redundante Andockplätze für MPLM-Logistikmodule und dem HTV bereitstellen.

Die Cupola (ital. Kuppel) ist ein kuppelförmiger Beobachtungsturm der Internationalen Raumstation. Nach dem Anbringen von Tranquility am Unity-Modul wurde Cupola an der erdzugewandten Seite Tranquilitys montiert. Ältere Planungen sahen einen direkten Anbau am Modul Unity vor.
Cupola ist 1,50 m hoch, hat einen maximalen Durchmesser von 2,95 m und hatte beim Start eine Masse von 1.805 kg. Die maximale Masse im Orbit beträgt 1.880 kg. Cupola verfügt über sechs seitlich angebrachte Fenster sowie über ein größeres 80-cm-Fenster auf dem "Dach" und bietet somit eine Rundumsicht in eine Beobachtungsrichtung. Die Fenster können zum Schutz vor Mikrometeoriten und Weltraumschrott mit speziellen Fensterläden abgeschottet werden.
Cupola dient in erster Linie zu Beobachtungszwecken, wobei es Platz für zwei Besatzungsmitglieder gleichzeitig bietet. Zu den wichtigsten Aufgaben des Moduls gehört die Steuerung des Greifarms der Station, Kommunikation mit Astronauten während eines Ausstiegs sowie Beobachtung der Erde und des Weltraums. Dazu können in Cupola verschiedene Kommando- und Steuerungsarbeitsstationen installiert werden. Eine nicht minder wichtige Aufgabe der Cupola sollte ihr Einsatz als Entspannungsort für Astronauten sein. Gebaut wurde das Modul von der europäischen Raumfahrtagentur ESA.

Nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn öffnete die Besatzung die Frachtraumtüren der Endeavour, testete den Greifarm RMS in seinen verschiedensten Funktionen, klappte die für das Rendezvous erforderliche Ku-Band-Antenne aus und begann mit der Angleichung der Flugbahn zur Internationalen Raumstation. Ebenso montierten sie im "Orbiter Docking System" die "Centerline Camera", die Kommandant George Zamka das spätere Docking erleichtern soll.
Außerdem wurde der Hitzeschild der Endeavour auf eventuelle Schäden untersucht, die beim Start durch sich vom Außentank ablösende Isolierschaumstücke entstanden sein könnten. Dabei wurde der OBSS-Inspektionsarm eingesetzt, der nach dem Columbia-Unglück entwickelt wurde. Der OBSS ist ein 15 Meter langer "Aufsatz", der mit dem Roboterarm des Shuttles verbunden wird. Der Kopf des OBSS ist mit Laser-Sensoren und hochauflösenden Kameras ausgestattet und tastet halbautomatisch die Hitzeschutzkacheln des Orbiters ab.

Den Gesetzen der Bahnmechanik folgend holte die Endeavour von ihrer ersten Umlaufbahn und weiteren Triebwerkszündungen in den folgenden beiden Tagen immer mehr zur Internationalen Raumstation auf. Am dritten Flugtag, dem 10. Februar 2010, hatte die Endeavour einen Punkt 15 Kilometer hinter der Raumstation erreicht. Für den Anflug im Rahmen des sogenannten "R-Bar Approach" musste das Space Shuttle nochmals seine Bahn senken, sodass sich die Endeavour schließlich etwa 180 Meter unterhalb der Internationalen Raumstation befand. Ab dieser Distanz übernahm George Zamka die manuelle Steuerung und flog entlang des sogenannten "R-Bar" (gedachte Verbindungslinie zwischen der Raumstation und dem Erdmittelpunkt) hinauf zur ISS. In der Nähe der Station führte George Zamka ein spektakuläres 360°-Manöver - das Rendezvous Pitch Maneuver (RPM) - durch, wobei er die Raumfähre innerhalb weniger Minuten um ihre Querachse drehen ließ. Die Besatzung der Raumstation fertigte währenddessen hochauflösende Aufnahmen des Shuttle-Hitzeschildes an. Die Aufnahmen werden später zur Erde übertragen und von Fachleuten ausgewertet. Mit einer direkt vor der ISS reduzierten Annäherungsgeschwindigkeit auf zuletzt nur noch 3 Zentimeter pro Sekunde flog der Orbiter auf den Ankopplungsstutzen der Internationalen Raumstation zu. Wie die Kommandanten bei allen Kopplungsmissionen steuerte er den Raumgleiter von der hinteren Konsole im Flugdeck aus, weil er von dort freie Sicht auf die Raumstation hatte. Ohne Probleme konnte er sein Raumschiff an die ISS ankoppeln.

Um 07:16 UTC waren die Luken zwischen den beiden Raumfahrzeugen offen und die Besatzungen von STS-130 und der ISS Expedition 22 begrüßten sich herzlich. Nach einer Sicherheitseinweisung durch die ISS-Stammbesatzung erledigte die vereinigte elfköpfige Crew noch einige logistische Aufgaben. Missionsspezialist Nicholas Patrick und ISS-Bordingenieur Timothy Creamer nahmen mit dem Greifarm der Station den OBSS-Aufsatz aus der Ladebucht des Shuttles und übergaben ihn wieder an den Roboterarm der Raumfähre, der von Kathryn Hire und Terry Virts bedient wurde. Die Kombination Roboterarm/OBSS blieb dann in einer Parkposition. Shuttle-Kommandant George Zamka brachte Ersatzteile für das Wasseraufbereitungssystem der ISS, sodass ISS-Kommandant Jeffrey Williams das System, welches Urin in Trinkwasser aufbereitet, reparieren konnte. Robert Behnken und Nicholas Patrick transportierten ihre Raumanzüge, die sie bei den Außenbordeinsätzen (EVA) tragen werden, zur Luftschleuse Quest.

Die erste EVA wurde durch Robert Behnken und Nicholas Patrick am 12. Februar 2010 (6h 32m) unternommen. Als erste Aufgabe bereiteten die Astronauten Unity und Tranquility auf den bevorstehenden Transfer von der Nutzlastbucht der Endeavour zur Station vor, u. a. wurden Versorgungsleitungen, die das neue Modul mit der Endeavour verbanden, entfernt. Während Kathryn Hire und Terry Virts Tranquility mit dem Canadarm2 vom Shuttle zum Backbordandockpunkt des Unity-Knotens bewegten, versetzten Robert Behnken und Nicholas Patrick eine temporäre Lagerplattform Dextres in das Stationstragwerk und brachten zwei Handgriffe an der Roboterhand an. Nachdem der neue Knoten fest an der Station verankert war, verbanden die beiden EVA-Astronauten Heiz- und Datenkabel. Außerdem wurden Isolierdecken und die Ammoniak-Kühlleitungen vorbereitet, damit sie beim zweiten Weltraumausstieg mit der Raumstation verbunden werden können.

Die Arbeiten wurden vom Innern der Station aus durch Terry Virts und Kathryn Hire am Greifarm unterstützt, indem man Tranquility aus der Nutzlastbucht hob und dann vorsichtig zum Andockknoten an der Backbordseite von Unity manövrierte. Tranquility wurde für die NASA von Thales Alenia Space in Turin, Italien, unter Kontrakt der ESA gebaut.

Flugtag sechs (13. Februar 2009) diente hauptsächlich der Innenausstattung Tranquilitys und der Vorbereitung des nächsten Außenbordeinsatzes. Nachdem 02:17 UTC die Luken zum neuen Modul offen waren, begannen George Zamka, Stephen Robinson und Kathryn Hire zusammen mit Jeffrey Williams den Verbindungsgang zwischen den Modulen auszustatten. Terry Virts und Soichi Noguchi transportierten Teile eines neuen Fitnessgerätes und ein Luftauffrischungs-Rack in das Tranquility-Modul.

Die zweite EVA erfolgte durch Robert Behnken und Nicholas Patrick am 14. Februar 2010 (5h 54m). Robert Behnken und Nicholas Patrick integrierten dabei Tranquility vollständig in die ISS. Dabei wurde z.B. Tranquility an das Kühlsystem der ISS angeschlossen. Außerdem wurde Tranquility für das Umsetzen der Aussichtskuppel Cupola vorbereitet, die zu diesem Zeitpunkt noch an ihrer Transportposition am Ende von Tranquility montiert war.

Das erfolgreiche Umsetzen von Cupola wurde am achten Flugtag vollzogen. Kathryn Hire und Terry Virts nutzten dazu den Greifarm der Raumstation. Das Manöver hatte sich wegen einiger unerwartet festsitzender Schrauben verzögert. Am nächsten Tag konnten die Besatzungen Cupola erstmals betreten und nach dem abschließenden Außenbordeinsatz die Abdeckungen der Fenster öffnen.

Am 16. Februar 2010 manövrierten Nicholas Patrick und Robert Behnken zusammen mit den Crewmitgliedern der Expedition 22 Jeffrey Williams und Soichi Noguchi den Pressurized Mating Adapter 3 von seiner Position am Modul Harmony zu dem freien Dockingpunkt am Ende des Tranquility-Moduls.

Die dritte und letzte EVA unternahmen Robert Behnken und Nicholas Patrick am 17. Februar 2010 (5h 48m). Dabei wurde ein zweiter Kühlkreislauf aktiviert, die Isolierung sowie die zur Sicherung des Moduls während der Startphase angebrachten Halter von Cupola entfernt. Außerdem wurden Handläufe an Tranquility angebracht und ein Videokabel zwischen S0 und Sarja verlegt.

Am 20. Februar 2010 koppelte die Endeavour-Besatzung mittels Federkraft wieder von der ISS ab. Dadurch werden Beschädigungen oder Verunreinigungen der Station vermieden. Erst danach wurden die Steuerungstriebwerke aktiviert und die Raumfähre entfernte sich von ihr bis zu einer Distanz von etwa 150 Meter. Von dort aus umflog Terry Virts die Orbitalstation eineinhalb Mal, ehe die Triebwerke der Endeavour erneut gezündet wurden und der Raumgleiter seine Distanz vergrößerte. Der Orbiter stoppte dann in einer Entfernung von etwa 75 Kilometer. Mit Hilfe des OBSS wurde eine letzte Überprüfung des Hitzeschutzschildes vorgenommen. Im Notfall hätte das Space Shuttle zur Internationalen Raumstation zurückkehren können.