Der Orbiter startete von Cape Canaveral (KSC) und landete auch wieder auf Cape Canaveral (KSC), Runway 33. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen am Startplatz und eines Problems mit dem Fahrwerk entschied man sich jedoch dazu, den Start um einen Tag auf den 01. März 2002 um 11:22 Uhr UTC zu verschieben. Die frühere Planung sah sogar einen Start für den 21. Februar 2002 vor. Technische Probleme verhinderten jedoch einen früheren Start.

STS-109 war der vierte Wartungsflug zum Hubble-Weltraumteleskop. Bei fünf Außenbordarbeiten (EVAs) wurden einige der betriebswichtigen Teile, wie das Solarmodul und ein Steuersystem ausgetauscht. Zudem erhielt das Teleskop eine neue Kamera - die Advanced Camera for Surveys (ACS).

Nach dem Start stellte man fest, dass einer der Freon-Kühler des Shuttles Flüssigkeit verlor. Nachdem der Kühler eine Weile beobachtet wurde, konnte die Besatzung mit den normalen Aufgaben fortfahren. Der Kühler sollte während der gesamten Mission keine Probleme bereiten.

Nach mehreren Triebwerkszündungen gelangte die Columbia in eine Position rund 15 km hinter Hubble. In dieser Position erhielt Hubble vom Kontrollzentrum in Greenbelt das Kommando, die Übertragungsantenne zu verstauen und die Schutztür des inneren Spiegels zu schließen. Wenig später zündete die Columbia ihre Triebwerke erneut für den TI-Burn, der letzten Haupttriebwerkszündung vor dem Ergreifen des Teleskops, der den Abstand zwischen Shuttle und Teleskop weiter reduzierte und die Columbia in eine Position etwa 800 m unterhalb des Teleskops brachte. Von dort an übernahm Scott Altman die manuelle Kontrolle und brachte die Columbia in eine Position 12 m unterhalb von Hubble. Richard Linnehan unterstützte ihn dabei, indem er mittels eines tragbaren Lasermessgeräts die Distanz zu Hubble kontrollierte. Von dort aus benutzte Nancy Currie den Roboterarm, um Hubble zu ergreifen und auf die Wartungsbühne zu setzen. Dort wurde es befestigt und an die Stromversorgung des Shuttles angeschlossen. Viereinhalb Stunden später wurden Kommandos zum Einholen der Solarkollektoren gegeben, um sie während der ersten beiden Ausstiege austauschen zu können. Weiterhin bereitete man sich auf den ersten Ausstieg vor, der am Folgetag stattfinden sollte. Dazu gehörte, dass der Luftdruck in der Kabine auf 10,5 psi reduziert wurde.

Für die Außenbordtätigkeiten waren zwei Teams gebildet worden, die die anstrengenden Arbeiten an Hubble im Wechsel durchführten. Während aller Ausstiege manövrierte Nancy Currie den Roboterarm des Shuttles. Scott Altman unterstützte sie dabei. Duane Carey übernahm diverse Aufgaben. Unter anderem war er für den Videodownload verantwortlich.

Die erste EVA wurde durch John Grunsfeld und Richard Linnehan am 04. März 2002 (7h 01m) ausgeführt, bei der ein Sonnensegel der neuesten Generation an der Steuerbordseite von Hubble angebracht wurde. Um dies zu ermöglichen, mussten einige vorbereitende Aufgaben durchgeführt werden. Unter anderem wurde der Manipulator Foot Restraint, eine Arbeitsplattform für Außenbordarbeiten, am Roboterarm des Shuttles befestigt. Anschließend ersetzten sie eine Sicherungsbox, um anschließend den bereits zusammengefahrenen Kollektor lösen zu können. Dieser wurde vorübergehend verstaut und der neue, effektivere und kleinere Kollektor an seiner ehemaligen Position installiert und ausgefaltet. Der Ausstieg endete mit dem Einpacken des alten Kollektors und Vorbereitungen auf weitere Ausstiege sowie eine Notfallrückkehr des Shuttles.

Die nächste EVA wurde durch das zweite Team, nämlich James Newman und Michael Massimino, am 05. März 2002 (7h 16m) unternommen, bei der auch das zweite Sonnensegel sowie eines von vier Reaction Wheel Assemblies ausgetauscht wurden. Hauptunterschied zur ersten EVA war dabei, dass statt des rechten nun der linke Kollektor ausgetauscht wurde. Anschließend holte James Newman ein Set Gyroskope, welches als Ersatz für das fehlerhafte Set eingebaut werden sollte. Michael Massimino öffnete derweil Hubble und begann, das Set zu demontieren. Er tauschte es anschließend bei James Newman aus und installierte das neue Set in der Position, während James Newman das alte Set in der Position verstaute, in der sich zuvor das neue Set befunden hatte. Zusätzlich tauschten sie zwei Halterungen aus, die sie nach einer kurzen Untersuchung für ersetzungsbedürftig erachteten.

Die dritte EVA erfolgte dann wieder durch John Grunsfeld und Richard Linnehan am 06. März 2002 (6h 48m). Dabei erfolgte der Austausch des Stromversorgungselements (Power Control Unit - PCU), dem "elektrischen Herzen" des HST. Dazu musste Hubble zum ersten Mal seit dem Start komplett abgeschaltet werden. Nach den Vorbereitungen wurden zunächst von Richard Linnehan die Batterien von Hubble aus dem Stromnetz genommen und die Kabelenden mit einer Schutzabdeckung bedeckt. John Grunsfeld installierte derweil diverse Hitzeschutzmatten an mehreren Stellen Hubbles, welche dafür sorgen sollten, dass Hubble nicht zu sehr auskühlt, während es abgeschaltet ist. Er brachte anschließend weitere Werkzeuge zu Richard Linnehan und begab sich in die Luftschleuse, um zusätzlichen Sauerstoff für den Rest des auf sieben Stunden ausgelegten Ausstiegs aufzunehmen. Gleichzeitig begann Richard Linnehan 30 der 36 Verbindungen der Stromversorgung Hubbles von der PCU zu lösen. Er tauschte mit John Grunsfeld die Plätze und holte die neue PCU aus der Nutzlastbucht. John Grunsfeld löste die letzten sechs Verbindungen und holte die alte PCU aus seiner Position. Er tauschte sie bei Richard Linnehan gegen die neue aus und installierte diese in der Position, in der sich zuvor die alte PCU befunden hat. Während er die elektrischen Verbindungen wiederherstellte, verstaute Richard Linnehan die alte PCU und tankte seinen Anzug ebenfalls mit zusätzlichem Sauerstoff auf. Er nahm dann kleinere Wartungsarbeiten in Vorbereitungen auf die letzten beiden Ausstiege vor. Anschließend verband er die Batterien mit dem Stromnetz und demontierte einen Teil der Hitzeschutzmatten.

Bei der vierten EVA waren dann wieder James Newman und Michael Massimino am 07. März 2002 (7h 30m) an der Reihe. Nach den vorbereitenden Aufgaben arbeiteten beide Astronauten zunächst zusammen, um die Faint Object Camera (FOC) aus dem Stromnetz zu nehmen und sie dann aus ihrer Position in Hubble zu entfernen, sodass sie von James Newman vorübergehend verstaut werden konnte. Damit wurde das letzte von Hubbles Originalinstrumenten außer Dienst gestellt. Gemeinsam bereiteten sie den fünften Ausstieg vor, indem sie einen Stromverteiler installieren, bevor sie damit begannen, die ACS aus ihrer Halterung in der Nutzlastbucht zu holen und in Hubble zu befestigen und zu verbinden. Schließlich packten sie die FOC in den Behälter, der vormals die ACS beinhaltete und tauschten Positionen. Die nächste Aufgabe war die Montage einer elektronischen Zusatzeinheit, welche den Strom für das neu zu installierende Kühlungssystem bereitstellen sollte. Dazu war es nötig, dass diverse Stromverbindungen neu gelegt werden mussten. Schließlich entfernten sie die Hitzeschutzmatten, die vom dritten Ausstieg verblieben waren und kehrten nach den Aufräumarbeiten wieder in die Luftschleuse zurück.

Die letzte EVA wurde schließlich durch John Grunsfeld und Richard Linnehan am 08. März 2002 (7h 20m) unternommen. Die Astronauten installierten nach den vorbereitenden Aufgaben das neue Kühlsystem für NICMOS. Dazu bereiteten sie zunächst das Gerät selber vor, indem sie die Erdung modifizierten und das alte Kühlsystem deaktivierten. Anschließend holten sie den Kühler und befestigten ihn in Hubble damit John Grunsfeld ihn an den Stromkreis anschließen konnte. Richard Linnehan begann derweil, den zum Kühlsystem gehörenden Radiator aus der Nutzlastbucht zu holen. Sie brachten ihn an Hubbles Äußerem an und verbanden ihn mit dem Kühlmittelkreislauf und dem Stromnetz. Auch der Kühler selbst wurde weiter am Stromnetz befestigt.
Dabei wurde ein neuer Rekord für die meisten EVA-Stunden während eines einzigen Shuttle-Fluges erzielt.

Etwa drei Stunden vor dem Aussetzen befestigte Nancy Currie den Roboterarm der Columbia am Ankerpunkt Hubbles. Wenig später wurden die Übertragungsantennen wieder ausgefahren und die Columbia in eine Position gebracht, die es Hubbles neuen Solarkollektoren ermöglichen sollte, Hubbles Batterien aufzuladen. Zwei Stunden vor dem Aussetzen wurde Hubble wieder auf die interne Energieversorgung geschaltet und von der Stromversorgung des Shuttles getrennt. Kurz darauf wurde Hubble aus seiner Halterung gelöst und von Michael Massimino aus der Nutzlastbucht gehoben. Nancy Currie übernahm anschließend die Aufgabe, den Arm von Hubble zu lösen und in eine sichere Position zu bringen. Danach begannen Scott Altman und Duane Carey damit, die Columbia von Hubble weg zu manövrieren.