「アトランティス号」は米・フロリダ州のケネディ宇宙センターから打ち上げられ、予定どおり地球周回軌道に投入された。11日間のミッション中に5回の船外活動が行われ、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）の修理と装置追加が実施される。

HSTが1990年4月に軌道投入されてから、1993年12月、1997年2月、1999年12月、2002年3月の計4回、スペースシャトルによる有人修理ミッションが実施されてきた。定期的な修理と部品交換、そして新しい観測装置の搭載によって、HSTは最先端の観測性能を19年間維持してきた。

しかし、2003年に起きたスペースシャトル「コロンビア号」の空中分解事故によって、修理計画は長い間凍結。ようやく2008年10月に実施が決まったが、打ち上げ直前にHSTがデータ送信不能に陥り再延期となってしまった。

この間、「掃天観測用高性能カメラ（ACS）」や「宇宙望遠鏡撮像分光器（STIS）」が故障するなどHSTの老朽化は進み、「限界説」がささやかれることも少なくない。しかし、NASAは今回の修復ミッションでHSTは2014年まで現役を続けるだろうとしている。

修復ミッションでは、歴史的な画像を撮り続けた「広視野／惑星カメラ2（WFPC2）」に代わる「広視野／惑星カメラ3（WFPC3）」と、初期宇宙で天体や大規模構造が形成された過程などを探る「宇宙起源分光器（COS」が取り付けられる。

技術的に難易度が高いが、ACSとSTISの修復も予定されている。ACSは可視光で圧倒的な撮像性能を誇り（WFPC3は紫外線や赤外線にも対応した汎用的な装置）、STISはさまざまな波長の光を分析できる（COSは紫外線に特化）。すべてがそろえば近赤外線から紫外線までをカバーするオールマイティーな宇宙望遠鏡が完成するとあって、研究者の期待は大きい。

HSTに代わる次世代の宇宙望遠鏡が数多く計画される中、今回が最後の修復ミッションとなる。しかし、ミッションの内容やごく最近のHSTによる成果を考えれば、これは決して「引退間際の宇宙望遠鏡に対する延命処置」ではないはずだ。