10 Temmuz 2011'de ABD uzay mekiği Atlantis, Uluslararası Uzay İstasyonu'na yanaştı. STS-135 mürettebatından dört astronot, dokuz gün boyunca Samokutyaev ve Expedition 28 ekip arkadaşlarıyla birlikte yörüngede çalıştı. Bu görev, bir uzay mekiğinin UUİ'yi ziyaret ettiği son sefer olmasının yanı sıra 30 yıllık Uzay Mekiği Programı'nın da son misyonuydu.
3 Ağustos 2011'de Samokutyaev, Volkov ile birlikte ilk uzay yürüyüşünü gerçekleştirdi. İkili istasyonun dışına çıkarak ekipmanları yeniden yerleştirdi, bir malzeme bilimi deneyi kurdu ve elle bir mikro uydu uzaya bıraktı.
Samokutyaev, 164 günlük yörünge görevinin ardından Borisenko ve Garan ile birlikte Soyuz TMA-21 kapsülüyle Dünya'ya döndü. Üçlü, Kazakistan bozkırlarına sağ salim iniş yaptı.
