La sua seconda esperienza nello spazio è a bordo della navetta Endeavour, impegnato in uno dei voli di assemblaggio dell’International Space Station.
La missione comprende il volo inaugurale del modulo Raffaello, uno dei 3 Moduli Logistici italiani, un sistema di cargo spaziale per i rifornimenti dell’equipaggio della ISS. Nella stiva della navetta c’è anche il braccio robotico canadese Canadarm2.
Nel corso della missione, vengono effettuate due uscite extraveicolari (EVA) per agganciare il Canadarm2 al laboratorio Destiny e vengono trasferite quattro tonnellate di rifornimenti ed esperimenti scientifici dal modulo Raffaello alla Stazione Spaziale.
Con questa missione, Guidoni diventa il primo astronauta europeo a visitare la ISS.
Dopo questa missione rientra in Europa e, in qualità di esperto di operazioni in orbita, svolge attività di supporto per lo sviluppo degli esperimenti del modulo europeo Columbus, presso lo “European Science and Technology Center” (ESTEC) a Noordwijk, in Olanda.