Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC). Der Orbiter war bereits zur Startrampe 39-A gerollt worden als dort eine Verunreinigung festgestellt wurde. Es wurde daher entschieden, das Space Shuttle zur Startrampe 39-B zu verlegen.

Mit STS-61 wurde die erste Mission zur Reparatur des Hubble Space Teleskop (HST) durchgeführt. Zunächst gelang es der Mannschaft, am dritten Flugtag das HST erfolgreich mit Hilfe des Greifarms eingefangen.

Für die Außenbordarbeiten waren zwei Teams gebildet worden, die die anstrengenden Arbeiten im Wechsel ausführten.

Die erste EVA unternahmen Jeffrey Hoffman und Story Musgrave am 05. Dezember 1993 (7h 54m), bei der zwei Gyroskopräder (Remote Sensing Units - RSU) und zwei elektronische Kontrolleinheiten erfolgreich ausgetauscht wurden. Auch wurden acht Sicherungen erfolgreich ausgetauscht. Danach hatte das HST wieder 6 komplett arbeitsfähige Gyroskope.

Die zweite EVA erfolgte durch Kathryn Thornton und Thomas Akers am 06. Dezember 1993 (6h 36m) bei der die beiden zerstörten, von der ESA gebauten, Sonnensegel von Hubble ausgetauscht wurden. Das erste Paneel (Sonnensegel) konnte wegen eines Knicks nicht eingerollt werden. Es wurde daher während der Nachtphase des Orbits demontiert und beim Eintritt in das Tageslicht über Bord geworfen und "segelte" langsam davon. Danach wurde das neue Solarpaneel installiert. Das zweite Paneel wurde aufgerollt, demontiert und verstaut, um es zur späteren Analyse durch die ESA zurück auf die Erde zu bringen. Danach wurde auch das zweite neue Panel angebracht.

Die dritte EVA wurde wiederum durch Jeffrey Hoffman und Story Musgrave am 07. Dezember 1993 (6h 47m) unternommen. Dabei wurde die WFPC-Kamera (Wide Field Planetary Camera) durch eine leistungsfähigere Kamera und eigener Korrekturoptik ersetzt. Des Weiteren wurden Magnetfeldsensoren, der "Kompass" des Teleskops, ersetzt. Sie waren wahrscheinlich durch UV-Strahlung beschädigt worden.

Die vierte EVA erfolgte erneut durch Kathryn Thornton und Thomas Akers am 08. Dezember 1993 (6h 50m). Dabei wurde der High Speed Photometer (HSP) ausgebaut, der ohnehin keinen besonders hohen wissenschaftlichen Wert gehabt hatte und durch eine "Linse" namens COSTAR ersetzt, die den katastrophalen Spiegelfehler des HST ausgleichen sollte.

Die fünfte und abschließende EVA führten Jeffrey Hoffman und Story Musgrave am 09. Dezember 1993 (7h 21m) aus. Hauptaufgabe war diesmal der Austausch eines von zwei Solar Array Drive Electronics (SADE), die die Sonnensegel immer der Sonne nachführen. Diese Elektronik-Box war ursprünglich nicht für einen Austausch vorgesehen, entsprechend schwierig gestaltete sich das Unterfangen. Außerdem wurden die Sonnensegel nach einige Fehlversuchen erfolgreich ausgeklappt, der Goddard High Resolution Spectrometer (GHRS) repariert und einige Magnometer mit Schutzhüllen versehen, die Claude Nicollier und Kenneth Bowersox während der Mission an Bord aus vorhandenen Restmaterialien gebastelt hatten.

Nachdem die sehr komplizierte und gleichzeitig außerordentlich spektakuläre Reparatur erfolgreich abgeschlossen war, wurde das HST am neunten Flugtag wieder erfolgreich ausgesetzt.