2007年10月23日，发现号航天飞机从肯尼迪航天中心升空，执行国际空间站组装任务，任务代号STS-120。机上载有7名航天员和即将安装在空间站的和谐号节点舱（又称“节点”2），其中指令长梅尔莱是航天飞机1981年投入使用以来的第二位女指令长；飞行工程师塔尼要留在站上，接替安德森成为站上第16宇航组的成员之一。
　　
　　


　　创造历史的飞行
　　发现号和国际空间站的指令长分别是梅尔莱和惠特森。在人类太空飞行史上，创下了首次由女性同时指挥航天飞机和国际空间站的历史。这次创举并非由美国航宇局刻意安排，只是纯粹的任务调度造就了历史。梅尔莱能成为历史缔造者，多少有巧合成分，按原计划她的飞行任务将在惠特森接掌太空站前就结束。
　　在出发前的新闻发布会上，惠特森收到了一件很特别的礼物：一根传统的哈萨克斯坦皮鞭。俄航天部门官员开玩笑说，它可以帮助她“管理队员”，“让那些男士们知道她才是指令长”。
　　面对如此有趣的礼物，惠特森当场笑了起来，当有记者问她是不是会使用它，或者会不会成为一位温和的指令长时，她回答说：“我希望我不需要用到它，只在
　　万一之时才使用。”
　　这是惠特森第二次在国际空间站上长期值守。2002年，作为第5宇航组的飞行工程师和美国航宇局首位国际空间站科学官员，她曾在站上工作和生活了6个月。2008年4月返回地面时，她在太空的累计停留时间将超过其他女航天员，创下另一项历史纪录。
　　


　　和谐号到站
　　10月25日，发现号与国际空间站顺利对接，航天员在太空胜利会师。住站期间，航天员们继续开展空间站建设。10月26日和28日航天员们完成了两次太空行走，将和谐号节点舱装配到指定位置。
　　和谐号是由意大利公司制造的美国舱段，重16吨，长超过7米，体积71立方米。它将连接美国命运号、欧空局哥伦布号和日本希望号实验舱，成为太空中的“国际十字路口”。该舱的名字是美国学生通过竞赛选出来的，鉴于该舱的功能，学生们把它命名为“和谐”，看来是真正认识到了和谐在空间合作中的重要性。和谐号2003年被送至佛罗里达，此后4年，科学家们一直为其升空做精心准备。由于发现号到站时占用了它在国际空间站的“永久码头”，和谐号暂时停泊在一个临时对接口上，待发现号离开后再由站上航天员把它挪到位。和谐号是已被命名的第4个美国舱段，前3个分别是命运号实驗舱、求知号气闸舱和团结号节点舱。
　　
　　


　　修复太阳能电池阵
　　10月30日第三次太空行走的主要任务是把装有太阳能电池板的P6组件挪到一个永久位置上，并将这套太阳能电池板打开。P6组件被送上空间站后在一个临时位置上放置了7年之久。太阳电池阵的第一块翼板缓慢打开后，情况良好。第二块翼板在几乎完全打开时，航天员突然发现板条边缘有条裂缝。航天员立即停止工作，将裂缝照片传回地面控制中心，让专家通过技术分析来确定裂缝长度，找出合适的修补方法。太阳能电池板上的裂缝引起了美国航宇局的重视。按计划，2007年12月和2008年初，欧空局哥伦布号和日本希望号实验舱将分别到站。空间站需要更多能量来维持运转，能量的主要来源是太阳能电池阵。如果新太阳能电池阵上的裂缝不能及时得到修复，导致能量供应不足，后续建站工作将受到影响。因此，美国航宇局推迟了原定于11月1日进行的第四次太空行走，并指示航天员将太阳能电池阵缩回，以缓解破损处承受的张力。
　　


　　11月3日，地面控制中心指示航天员帕拉津斯基和韦尔罗克走出国际空间站，修复撕裂的太阳能电池阵。这次的太空漫步被喻为有史以来最艰辛、危险的任务。在伙伴的配合下，帕拉津斯基先是把太阳能电池阵的翼板调整回到适当的位置，再靠机械臂及延长杆作为天梯，爬近损毁的电池阵。之后，他砍掉电池阵上多余电线，安装了支撑装置，耗时7小时19分，最终圆满完成了任务。此举充分说明人类在太空活动中的价值，展示了人类解决突发困难的天赋。
　　
　　返航
　　11月7日，发现号航天飞机结束了历时15天、行程1000万千米的太空飞行后安全降落在肯尼迪航天中心。在这次飞行中发现号共绕地飞行238圈，与国际空间站对接运行11天。