Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC). Der Start musste dreimal verschoben werden: Am 6. Dezember 1999 (wegen technischer Probleme), am 16. Dezember 1999 (erneut wegen technischer Probleme) und am 18. Dezember 1999 (wegen schlechten Wetters).

Hubble-Service-Mission 3A. Nach zwei Flugtagen wurde das Hubble-Teleskops gleich beim ersten Versuch eingefangen.

Erste EVA durch Smith und Grunsfeld am 22.12.1999 (8h 15m) bei dem alle sechs Gyroskope durch neue ersetzt wurden (die Gyroskope befanden sich in Zweierpacks, die Rate Sensor Units (RSU) genannt werden). Außerdem öffneten sie Ventile an der undichten Kühleinrichtung der NICMOS-Kamera, um Reste des Kühlmittels verdampfen zu lassen. Darüber hinaus wurden noch Spannungs- und Temperaturregler (Voltage/Temperature Improvement Kits - VIKs) für alle sechs Batterien eingebaut, damit diese beim Aufladen nicht überhitzen.

Zweite EVA durch Foale und Nicollier am 23.12.1999 (8h 10m). Dabei ersetzten die Astronauten den betagten 386er DF-224 Computer durch einen Computer mit einem 486er Prozessor, der zwanzigmal schneller ist. Außerdem tauschten sie einen Leitsensor zur Feineinstellung des Teleskops (Fine Guidance Sensor) aus.

Dritte und letzte EVA durch Smith und Grunsfeld am 24.12.1999, bei der zunächst einige Verkabelungsarbeiten durchgeführt wurden. Anschließend wurde in einer schwierigen Prozedur die bereits 1998 ausgefallene Sendeinheit S-Band Single Access Admitter (SSAT) ausgetauscht. Der Austausch gestaltete sich schwierig, weil ursprünglich für dieses Teil kein Austausch vorgesehen war. Abschließend wurde noch ein Spulentonbandgerät durch einen leistungsstärkeren Solit State Recorder ausgetauscht (der weder Bänder noch Spulen hat) und zwei provisorsiche Isolationshüllen durch Folien aus rostfreiem Stahl ersetzt.

Nachdem alle Arbeiten zur vollsten Zufriedenheit ausgeführt waren, wurde Hubble am 25. Dezember 1999 wieder aus der Ladebucht der Discovery freigesetzt.