Zu einer historischen Mission startete das US Space Shuttle „Endeavour“ am 02.12.1993 nach eintägigem (hauptsächlich) wetterbedingtem Aufschub von Cape Canaveral. Der Start war zuvor bereits von LC-​39 A nach LC-​39 B verlegt worden, als nach einem „Sandsturm“ erhebliche Verschmutzungen des „Nutzlast-​Austausch-​Raums“ auf Rampe 39 A festgestellt worden waren. Ziel des Unternehmens STS-​61  „Endeavour“ F-​5  war die Wartung und Reparatur des Hubble Weltraumteleskops. Dieses war 1990 mit einem fehlerhaft geschliffenen Hauptspiegel gestartet worden, was die Abbildungsqualität des Teleskops und einiger sekundärer Experimente erheblich beeinträchtigte. In jahrelanger Arbeit war daraufhin eine Korrekturoptik entwickelt und gebaut worden, die diesen Fehler ausgleichen sollte. Weitzerhin hatte sich gezeigt, daß die beiden je 12 m langen Solarzellenausleger des HST unter dem Wechsel von direkter Sonneneinstrahlung und der Weltraumkälte im Erdschatten vibrierten und sich zudem verzogen. Auch sie sollten ersetzt werden. Auch stand der Austausch einiger Gyroskope des Lagestabilisierungssystems sowie einer Planetenkamera an. Eine siebenköpfige Besatzung hatte für diese Aufgaben trainiert. Die von der NASA zusammengestellte Crew war die erfahrenste und qualifizierteste, die jemals mit einer Shuttle Mission betraut worden war. Zusammen hatten die sieben Astronauten bereits vierzehn Missionen absolviert, waren mit allen fünf Orbitern der Shuttle Flotte vertraut und repräsentierten rund vier Monate Weltraumerfahrung. Ihre berufliche und akademische Ausbildung deckte fünfzehn verschiedene Wissenschaftsdisziplinen ab. Jahrelanges Training im Simulator und im Hydrobassin an einem originalen HST Modell hatten sie auf ihre Mission vorbereitet. Nun hob die „Endeavour“ am 02.12.1993 um 09:27 UTC von Cape Canaveral ab. An Bord Kommandant Richard Covey, Pilot Kenneth Bowersox und die Missionsspezialisten Story Musgrave, Kathryn Thornton, Jeffrey Hoffman, Thomas Akers sowie der schweizer ESA-​Astronaut Claude Nicollier (ebenfalls ausgebildeter Missionsspezialist). Nach dem geglückten Start überprüften die Astronauten zunächst die Systeme ihres Orbiters und den Zustand der Nutzlasten, bevor sie ihre erste Schlafpause begannen. Am nächsten Tag begann dann die schrittweise Annäherung an das Hubble Space Telescope. Unterdessen wurden der Manipulatorarm auf seine Einsatzfähigkeit hin getestet und ebenso die Raumanzüge überprüft. Zur Vorbereitung des für den nächsten Tag vorgesehenen ersten Außenbordmanövers wurde der Kabinendruck bereits abgesenkt. Gegen Endes des zweiten Tages war die „Endeavour“ noch rund 350 km von Hubble entfernt. Am nächsten Tag konnte Missionsspezialist Hoffman erstmals das HST mit einem Fernglas ausmachen, wobei ihm ein 90° verdrehter Solarzellenflügel auffiel. Schließlich manövrierte Kommandant Covey das Shuttle bis auf knapp 10 Meter an das Teleskop heran, so daß Missionsspezialist Nicollier es mit dem Manipulatorarm ergreifen konnte. 28 Minuten später war das HST in der Nutzlastbucht verstaut. Mit der Kamera des Manipulatorarms wurde nun der Zustand des HST untersucht, wobei auch ein Blick auf die eingeklappten Hauptantennen des HST geworfen wurde. Nach ihrem Einklappen war nämlich das Verriegelungssignal von drei dafür bestimmten Mikroschaltern ausgeblieben. Eine Stunde vor der geplanten Zeit begann dann am 04.12.1993 das erste Außenbordmanöver. Zunächst entpackten Musgrave und Hoffman Werkzeuge, Sicherungsleinen und Arbeitsplattformen. Hoffman montierte eine Fußhalterung am RMS Manipulatorarm, während Musgrave einige empfindliche Bereiche des Teleskops mit Schutzabdeckungen versah. Unterstützt von Nicollier am RMS öffneten sie dann eine Ausrüstungsbucht des HST und begannen mit dem Austausch der Remote Sensing Units #2 und #3. Jede dieser RSU’s enthielt zwei Lageregelungskreisel. Dann verbrachten die beiden Astronauten etwa 50 Minuten mit Vorbereitungen für die nächste EVA, bevor sie sich dem Austausch von zwei Electrical Control Units zuwandten, die der Steuerung von RSU-​1  und RSU-​3  dienten. Nach dem Austausch von acht Sicherungen sollte nun die Luke über den RSU’s wieder geschlossen werden. Doch nur zwei der vier Verschlüsse rasteten ein. Erst der gemeinsame und koordinierte Körpereinsatz beider Astronauten erlaubte das Verriegeln der Bolzen. Dank des Zeitvorsprungs, den Musgrave und Hoffman zu Beginn der EVA herausgearbeitet hatten, konnte so das Manöver noch erfolgreich abgeschlossen werden. Nach 7:54 h kehrten beide an Bord der „Endeavour“ zurück. Die nächste EVA begann am 05.12.1993, diesmal mit den Astronauten Thornton und Akers. Ihre Aufgabe bestand darin, die beiden Solarzellenflächen des HST auszutauschen. Dieser Austausch war bereits vor dem Start von Hubble für die HST SM-​01  Mission geplant gewesen. Allerdings aufgrund der angenommenen Alterung der Solarzellen und nicht wegen der nun beobachteten „Zitter“ Problematik. Per Funkbefehl wurden beide Solarzellenausleger eingerollt. Das Steuerbord Sonnensegel blockierte jedoch wegen eines verzogenen Gestänges. Daraufhin wurde dieser Ausleger nur zu 30% geschlossen, um der Gefahr des Brechens des Gestänges zu begegnen. Die scharfen Bruchkanten hätten die Astronauten gefährden können. Zunächst wurde die blockierte Solarzellenfläche demontiert und, da sie nicht in der Nutzlastbucht verstaut werden konnte, in den Weltraum entlassen. Dann wurde der neue Ausleger montiert, jedoch noch nicht ausgerollt. Die Backbord Solarzellenfläche wurde zusammengerollt dagegen in der Nutzlastbucht verstaut, dann ihr Ersatz montiert. Trotz zeitweiser Unterbrechungen im Funkverkehr zwischen Missionsspezialistin Thornton und der „Endeavour“ konnten die Arbeiten ohne Probleme abgeschlossen werden. Nach der Montage einer Fußstütze für das nächste Außenbordmanöver kehrten Thornton und Akers in die Luftschleuse zurück. Ihr Außenbordaufenthalt hatte 6:36 h gedauert. Am 06.12.1993 waren dann Musgrave und Hoffman wieder außenbords tätig. Sie tauschten die Wide Field / Planetary Camera gegen das verbesserte WFPC-​2  Modell aus, welches für die Korrektur des fehlerhaft geschliffenen HST Hauptspiegels ausgelegt war. Zwei Magnetometer wurden ebenso noch ausgewechselt wie weitere vier Sicherungen. Da die Arbeiten vorzeitig abgeschlossen waren, blieb noch Zeit für einige kleinere Handhabungen, die eigentlich für die nächste EVA vorgesehen waren. 6:47 h dauerte das zweite Außenbordmanöver von Musgrave und Hoffman. Die Installation von COSTAR, der „Brille“ für das Hubble Teleskop, war den Astronauten Thornton und Akers am 07.12.1993 vorbehalten. Sie öffneten zunächst die sogenannte GHSP Luke, wobei sich zeigte, daß einer der beiden mitgeführten Elektroschrauber gar nicht funktionierte, während beim anderen die Drehzahlregelung versagte. Dennoch konnte die Luke geöffnet werden. Akers kroch dann in das Teleskop hinein, demontierte das Photometer und reichte es Thornton hinaus. Nicollier hob Thornton und das Gerät dann mit dem RMS zu einer Halterung in der Nutzlastbucht hinüber, wo das Photometer vorübergehend verstaut werden konnte. Dann hob Thornton COSTAR aus dem ASIPE Transportcontainer und wurde von Nicollier wieder zur geöffneten Luke herübergehoben. Akers nahm ihr das Gerät ab, setzte es ein und verband die elektrischen Leitungen. Nun konnten die Astronauten das ausgebaute Photometer endgültig im ASIPE (Axial Scientific Instrument Protective Enclosure) Container für den Rücktransport zu Erde sichern. Statt veranschlagter 3:10 h hatte das gesamte Manöver nur 35 min gedauert. So blieb ausreichend Zeit, auch noch den Computer des HST mit einem Co-​Prozessor aufzurüsten. Nach 6:50 h kehrten die Astronauten von ihrem erfolgreichen Ausstieg zurück. Covey und Bowersox zündeten nun für 61 s die Triebwerke der „Endeavour“, um die Bahn des HST in 516 km Höhe zu zirkularisieren. Nun blieb nur noch ein Außenbordmanöver, um die restlichen Tätigkeiten abzuschließen. Am 08.12.1993 verließen Musgrave und Hoffman nochmals die Luftschleuse. Sie ersetzten die Steuerelektronik der Solarzellenflächen und brachten zwei an Bord der „Endeavour“ improvisierte Schutzhüllen an den Magnetometern MSS 3 und MSS 4 an, deren Originalabdeckungen allmählich zerfielen. Nun wurden die Solarzellenflächen per Funkbefehl vom Boden ausgerollt, wobei Musgrave und Hoffman assistierten. Nach 7:21 h war auch dieses Außenbordmanöver abgeschlossen. Am 09.12.1993 hob Nicollier das HST dann mit dem Manipulatorarm aus der Nutzlastbucht hinaus. Die Batterien des HST begannen sich wieder aufzuladen, die Antennen wurden ausgeklappt und die Teleskopabdeckung geöffnet. Alle Telemetriedaten sahen gut aus und so löste Nicollier die Verankerung. Vorsichtig manövrierte die „Endeavour“ auf einen Sicherheitsabstand. Die Crew widmete sich nun einigen sekundären Experimenten und erholte sich von den zurückliegenden anstrengenden Tagen. Am 13.12.1993 wurde dann die Rückkehr zur Erde eingeleitet. Die „Endeavour“ steuerte Runway 33 der Edwards AFB an und setzte dort nach 259:59 h am 13.12.1993 um 05:26 UTC auf.
Logistisch und technologisch war der NASA mit der ersten Hubble Servicemission ganz sicher ein Glanzstück gelungen. Doch ob die Korrektur des optischen Systems erfolgreich verlaufen war, mußte sich erst zeigen. Es dauerte einige Wochen, bis die ersten Bilder des Teleskops nach der „Operation“ hereinkamen. Und die waren auch für die Wissenschaftler überwältigend. Erstmals konnte das Teleskop seine wahre Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen und lieferte Bilder in nie zuvor erreichter Qualität.