Après son lancement par un lanceur H-IIB tiré depuis le centre spatial de Tanegashima le HTV manœuvre automatiquement durant 3 jours pour se rapprocher de la station spatiale. Lorsqu'il se situe à moins de 23 km, il utilise pour ses manœuvres d'approche un GPS différentiel puis, parvenu à 500 mètres, exploite les données fournies par un laser dont le rayon lumineux se réfléchit sur une mire installée sur la station. Durant la phase d'approche, le vaisseau marque plusieurs point d'arrêt pour que les opérateurs humains situés dans la station spatiale lui donnent le feu vert pour poursuivre : ceux-ci peuvent à tout moment reprendre le contrôle du vaisseau. Lorsque le HTV est parvenu à 10 mètres de la station, le bras Canadarm 2 téléopéré depuis la station spatiale agrippe le vaisseau par une attache prévue à cet effet et réalise la jonction avec un des ports de la station : pour la première mission la vaisseau cargo a été amarré au port du module Harmony tourné vers la Terre.
La partie pressurisée du vaisseau est alors déchargée par les astronautes. Le cargo peut rester amarré jusqu'à un mois et la soute pressurisée est remplie au fur et à mesure des déchets produits par la station. Le bras Canadarm2 est utilisé pour extraire la palette EP de la soute non pressurisée du vaisseau cargo. La palette EP est ensuite, selon le cas, saisi par le bras du module japonais Kibo puis attachée à l'extérieur du laboratoire pour que les expériences scientifiques puissent être installées sur la palette ELM ES attachée de manière permanente à Kibo. Si le fret transporté est constitué de pièces détachées, la palette EP est fixée sur le chariot (Mobile Base System MBS) qui sert généralement d'ancrage au bras Canadarm2 avant d'être déchargée. Dans les deux cas, la palette, une fois son contenu mis en place, est réinsérée dans son logement au sein du HTV .
La manœuvre de séparation est symétrique de celle de l'arrivée : le vaisseau est détaché et éloigné par le bras Canadarm puis s'écarte de la station. Après voir utilisé à trois reprises ses propulseurs il entame la rentrée atmosphérique et se consume au dessus de l'Océan Pacifique.
Le HTV est détaché de la station à l'aide du bras Canadarm2 (manœuvre symétrique de l'arrimage). | Le HTV arrimé : on peut apercevoir l'espace de stockage dédié au fret non pressurisé. |