Le 8 mars 2001, la navette spatiale Discovery a décollé du Kennedy Space Center à 6 h 42 pour un périple de 8,5 millions de kilomètres. Il s'agissait de la huitième mission comportant un amarrage de la navette à la Station spatiale internationale. La navette a également assuré la relève de l'équipage de la Station. Elle a en effet transporté les membres d'Expedition Two en orbite et ramené Shepherd, Gridzenko et Krikalev d'Expedition One sur Terre au terme de leur mission de 136 jours.

Discovery a en outre livré le Module logistique polyvalent (MPLM) Leonardo contenant des bâtis supplémentaires destinés au laboratoire américain Destiny qui avait été livré et installé le mois précédent au cours de la mission STS-98. Deux sorties dans l'espace ont été nécessaires pour procéder aux opérations d'assemblage du MPLM. Au cours de la première, deux astronautes ont déplacé le port d'amarrage de la navette afin de faire de la place pour le MPLM et de pouvoir fixer le berceau du laboratoire sur le dessus de Destiny, ceci en vue du déploiement du Télémanipulateur de la Station spatiale fourni par le Canada au cours de la mission STS-100.

Le vol 5A/STS-102 a fait ressortir la complexité des missions vers la Station spatiale internationale. Ces dernières combinent maintenant la relève d'équipage, la livraison et l'installation de nouveaux modules de même que la préparation des interfaces destinées aux systèmes à livrer et à installer au cours de missions futures.