Discovery est lancé le 19 décembre 1999 du LC39B. A bord Curtis Brown, Scott Kelly, commandant et pilote et les MS Michael Foale, Claude Nicolier (astronaute ESA), Jean François Clervoy (astronaute CNES), John Grunsfeld et Steven Smith. 

La défaillance précoce de 3 des 6 gyroscopes du télescope oblige la NASA à avancer la troisième mission de maintenance du HST prévu en 2000 et à la couper en deux, mission 3A et 3B. Trois gyroscopes au minimum doivent fonctionner pour répondre aux exigences très précises du pointage du télescope. La défaillance des autres gyroscopes interdirait les observations jusqu'à la visite d'une mission de réparation. Au programme également, le remplacement d'un senseur stellaire et de l'ordinateur de bord.

Capture du HST, Clervoy dans la cabine

Le télescope Hubble est capturé à l'aide du bras RMS par Jean-François Clervoy. Un examen détaillé de sa structure externe est ensuite fait avec une caméra fixée au bras et commandée de la Navette par Clervoy. La première sortie des astronautes Smith et Grunsfeld a lieu le 22 décembre. Les 3 ensembles de gyroscopes sont remplacés avec seulement un léger problème d'alignement pour le premier. Les trois sont testés fonctionnels. La tâche suivante est d'ouvrir les valves du système de refroidissement de la caméra infrarouge NICMOS, les capuchons qui les recouvraient ont du être forcés à l'aide d'un outil, ce qui retarde la procédure d'une vingtaine de minutes. La sortie se termine par l'installation des régulateurs de charge sur les 6 batteries de Hubble. La sortie a duré 8 h 15, ce qui en fait la seconde plus longue sortie dans l'espace du programme spatial américain. La plus longue eut lieu en mai 1992 STS 47 et dura 8 heures et 29 minutes.

Capture du HST et EVA 1 de Smith et Grunsfeld

La deuxième sortie a débuté le 23 décembre une demi-heure plus tôt que prévu. Foale installé au bout du bras RMS enlève l'ancien ordinateur de Hubble pour en installer un nouveau. Une fois les branchements terminés, l'ordinateur doté d'un processeur 486 était fonctionnel. Nicolier remplace Foale sur le bras pour réaliser le remplacement d'un senseur stellaire FGS (détecteur d'étoiles pour le guidage). La sortie a duré 8 h 10. 

EVA 2 Foale et Nicolier

La 3eme EVA, la seconde de Smith et Grunsfeld permet de remplacer un boîtier contenant l'électronique nécessaire au contrôle du guidage optique (OCE). Un transmetteur radio SSAT est aussi remplacé sur la partie haute du télescope. dernière étape, le remplacement de l'enregistreur de données. Tous les composants électroniques et mécaniques qui permettent à Hubble de reprendre du service ont été changé. En tout, 13 boîtiers ont été installés avec succès. Il ne reste du temps que pour installer une nouvelle protection isolante sur les compartiments 9 et 10 seulement autour du télescope. Le reste sera fait lors de la prochaine mission d'entretien en 2001. La sortie a duré 8 heures 8 minutes. 

  EVA 3 Smith et Grunsfeld

e 25 décembre, Clervoy agrippe le télescope avec le bras RMS et le soulève lentement hors de la soute et le libère dans l'espace. Le 27 décembre, Discovery a atterri au Centre spatial Kennedy en Floride sur la piste 33 après un vol de 7 jours 23 heures 11 minutes et 34 secondes.