Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC), Runway 33. Der Start musste dreimal verschoben werden: Am 06. Dezember 1999 (wegen technischer Probleme), am 16. Dezember 1999 (erneut wegen technischer Probleme) und am 18. Dezember 1999 (wegen schlechten Wetters).

Hauptaufgabe der Discovery-Crew war die Reparatur wichtiger Bordsysteme des Hubble-Weltraumteleskop. Einige von ihnen waren in der Vergangenheit ausgefallen, andere wurden prophylaktisch erneuert.

Am zweiten Flugtag gelang das Einfangen des Satelliten im ersten Anlauf. Während der Annäherungsphase hatten sich die Außenbordmonteure bereits auf ihren ersten Einsatz vorbereitet, der noch am 22. Dezember 1999 absolviert wurde.

Die erste EVA erfolgte durch Steven Smith und John Grunsfeld am 22. Dezember 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.

Eine zweite EVA durch Michael Foale und Claude Nicollier wurde am 23. Dezember 1999 (8h 10m) unternommen. 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. Mit ihm wird die Orientierung des Satelliten im Weltraum mit hoher Genauigkeit gemessen. Der Satellit verfügt insgesamt über drei solcher Sensoren.

Die dritte und letzte EVA wurde dann wieder durch Steven Smith und John Grunsfeld am 24. Dezember 1999 (8h 08m) ausgeführt, 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. Dank des mitgebrachten Spezialwerkzeugs gelang die Auswechslung jedoch planmäßig. Abschließend wurde noch ein Spulentonbandgerät durch einen leistungsstärkeren Solit State Recorder ausgetauscht (der weder Bänder noch Spulen hat) und zwei provisorische Isolationshüllen durch Folien aus rostfreiem Stahl ersetzt. Schließlich wurde die thermische Isolation an den Zugangstüren gewechselt. Auf diese Weise sollen Temperaturprobleme im Inneren des Satelliten vermieden werden.

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