13 mai, FD3, le rendez vous avec Hubble prévue à 00h 57 et repoussé à 7h 41, heure de Floride (11h41 TU). L'analyse des clichés de la TPS d'Atlantis n'inquiète pas les techniciens du sol. Atlantis manoeuvre pour rejoindre Hubble. ce dernier se mettra dans l'attitude permettant l'accrochage par le bras RMS. Entre temps, Atlantis se rapprochera à 16 pieds par secondes du télescope et a quatre endroits où elle peut faire des corrections fines de trajectoires. A 17h14, le bras RMS comman,dé par Megan McArthur capture la cible du télescope. Hubble est orienté afin d'être positionné dans son berceau à 18h 14. Libéré, Hubble est longuement inspecté par les caméras du bras.

14 mai, FD 4, Grunssfeld et Feustel réalisent la première EVA. ils changent la caméra WC3 qui remplace la WFPC 2 (qui sera retournée sur terre). L'unité défaillante, qui avait retardé le vol initialement prévu en Octobre, le Science Instrument Command and Data Handling est remplacée. La nouvelle passe avec succès les premiers tests de mise en route, et l'ancienne a été rangée dans la soute d'Atlantis. Cette tache étant terminée, les astronautes s'avancent un peu de travail sur le travail des prochaines sorties avec la mise en place de nouveau verrou pour les portes du télescope. Après 7h 20 d'activité, les astronautes rentrent à bord d'Atlantis.

15 mai, pour la seconde EVA, Massimino et Good commencent par s'occuper des 6 senseurs du gyroscopes (Rate Sensor Units) nécessaire au pointage des instruments. Ils sont installés par paire. Les astronautes prennent du retard pour mettre en place le 3eme set. Ils installent à la place un ensemble descendu lors d'une précédente mission de service, réparé au sol, et remonté comme secours. Celui-ci ne dispose pas des dernières améliorations des "neufs" mais fera parfaitement l'affaire. Après avoir refermé les portes, les astronautes s'affairent à remplacer les batteries, ils ont près de deux heures de retard sur le planning. Une pause est faite pour recharger l'oxygène des scaphandres dans le sas. L'heure du coucher sera retardée d'une heure. Après 7h 56 passés dans l'espace, les deux hommes regagnent le sas, Hubble a maintenant 3 nouvelles batteries neuves. Les 3 autres seront remplacées lors de la 5eme EVA.

16 mai, Andrew Feustel et John Grunsfeld réalisent la 3eme EVA. Les deux hommes installent l'instrument COS (Cosmic Origin Spectrograph) à la place du "vieux" COSTAR qui servait à corriger la vue du télescope. Le nouveau module ne remplace pas l'ancien, il prend juste sa place. Le COSTAR ("Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement") qui corrigeait la vue de Hubble n'est plus utile car les instruments ont désormais leurs propres dispositifs de correction. Pour terminer leur travaux, ils réparent le ACS ("Advanced Camera for Surveys"), qui a subi une grave avarie fin 2007, un instrument qui n'avait pas été prévu pour être réparé en orbite.  les premiers essais sont concluants. La sortie a duré 6h 36 mn.

C'est Massimino et Good qui réalisent la 4eme EVA le 17 mai. Les deux hommes sortent dans la soute pour réparer le STIS ("Space Telescope Imaging Spectrograph"), un instrument qui n'était pas conçu pour être réparé en orbite. 111 vis sont à retirer que les astronautes ne devront absolument pas perdre. Les ingénieurs ont donc conçu un plaque qui permettra de retirer ces vis tout en les retenant. De même pour retirer les cartes de leur rack (impossible à la main, avec des gants d'EVA), un instrument a aussi été développé. Cette procédure a également été utilisé hier pour la réparation de l'ACS. Une vis récalcitrante oblige les astronautes à arracher la poignée du cache de l'instrument. Le dévissage des autres se posent pas de problèmes. une fois la carte changée, un nouveau panneau est mis en place avec moins de vis. Les premiers tests montrent que le STIS fonctionne bien. Les astronautes rentrent dans le sas après une sortie de 8h 02, la 6eme EVA la plus longue de l'histoire. La mise en place de l'isolant thermique est repoussé à la dernière EVA.

La 5eme et dernière EVA est réalisée le 18 mai. Elle incombe à Andrew Feustel et John Grunsfeld. Au programme, le changement du second set de batteries et le système de guidage précis du télescope, le "Fine Guidance System 2". De nouvelles couvertures thermiques NOBL sont installées pour remplacer les anciennes qui se sont dégradées après quelques années passées dans l'espace. La sortie dure 7h 02.

Au total, les astronautes d'Atlantis ont passé 36h 56 mn dans le vide pour répérer Hubble. Depuis la mission SM1, les astronautes de la NASA ont passé 166 heures en 23 EVA au chevet du télescope.

19 mai, FD9, Hubble est relâché dans l'espace. A 11h 25 TU, Mc Arthur pilotant le bras RMS libère le télescope sur son orbite. En fin de journée, l'équipage commence l'inspection de la protection thermique de l'Orbiter en vue du retour le 22. Les résultats seront comparés à ce réalisés en début de mission.

20 mai, c'est le thème original de la série "Startrek" qui réveille les astronaute pour ce 10eme jour de vol. La journée est consacrée au loisir, à l'observation de la terre et aux différentes conférences de presse avec le sol. Les prévisions météo annoncent des nuages bas et de la pluie pour le 22. L'analyse des données sur la protection thermique montre que Atlantis est "go" pour son retour sur terre. En fin de journée le président obama parle aux astronaute depuis la Maison Blanche.

21 mai, c'est le dernier jour de vol, l'équipage se prépare pour le retour. Le temps en Floride est toujours incertain. Deux opportunités sont prévues pour la Floride le 22 à 10h et 11h 39, trois pour le 23, plus deux en Californie.

22 mai, 9h 56, Mission Control ajourne le retour d'une orbite à cause du temps en Floride. A 11h 48, le retour est ajourné d'une journée. La première opportunité est prévu pour 9h 16, heure locale.

23 mai, le retour est de nouveau ajourné. La NASA préfère faire revenir Atlantis en Floride et garder la Californie comme dernière opportunité le 24.

24 mai, Atlantis entame son 14eme jour de vol. L'atterrissage est prévu à 10h 09 locale sur la piste 15 du KSC. Une autre opportunité est possible l'orbite suivante à 11h 48. Si la météo reste mauvaise sur le centre spatial, Atlantis reviendra en dernier recour en Californie à 13h 17.
A 10h 10, le "go" est donné pour la fermeture des portes de la soute. A 12h 28, la première opportunité est annulée. A14h 02, la décision est prise de faire revenir Atlantis en Californie à la première opportunité. Les moteurs OMS sont mis à feu à 14h 24 au dessus de l'Atlantique sud. 15h 08, survolant le Pacifique Sud à M25, Atlantis, cabré à 40° est à son point d'échauffement maximal. 15h 17, les communications sont rétablies avec le sol. 15h 29, Atlantis aborde les cotes de la Californie. 15h 39, les roues touche le sol de la piste 22, Atlantis s'immobilise une minute plus tard. La mission a duré 12 jours, 21 heures, 38 mn19 s.