C'est une longue mission pour les astronautes qui doit durer jusqu'en mai 2011, comprenant plus de 30 expériences scientifiques au programme. L'équipage devra installer plusieurs modules dont le véhicule de transfert automatique ATV -le vaisseau européen développé pour acheminer les marchandises indispensables vers la Station.
Pendant leur séjour dans l'espace, les astronautes vont réceptionner un cargo japonais de réaprovisionnement ainsi que l'équipage de la navette spatiale Endevour qui rejoindra l'ISS pour 12 jours au printemps prochain. Paralèllement, le spationaute européen Paolo Nespoli sera soumis à plusieurs tests portant sur l'étude de la physiologie humaine et notamment le système nerveux et cardiovasculaire.
Paolo Nespoli devra étudier en outre la manière d'interpréter les informations visuelles en impesanteur ainsi que les modifications des fonctions cérébrales comme la mémoire ou encore la prise de décision, lors des longs séjours dans l'espace. Ces expériences seront suivies également par une nouvelle caméra 3D qui montrera des images inédites de la Station Spatiale.