La misión se llevó a cabo por el transbordador espacial Atlantis, Aunque a su vez otro transbordador, el Endeavour, se encontraba en la plataforma de lanzamiento por si hubiese sido necesaria una misión de rescate.

El Atlantis llevó dos nuevos instrumentos para el HST, un reemplazo del sensor de orientación fina, y seis nuevas baterías y giroscopios para permitir que el telescopio siga funcionando por lo menos hasta 2013.

También fue la primera misión de lanzadera no relacionada con la Estación Espacial Internacional desde la STS-107, que terminó en el accidente del Columbia.

Massimino con Grunsfeld y Altman en la STS-109, realizaron dos paseos espaciales a servicio del telescopio.

El Atlantis, llevó a la misión el mecanismo de "soft-catcher" y lo instaló en el telescopio.

Su gran canal ultravioleta será 30 veces más sensible que los instrumentos anteriores y los ultravioletas cercanos serán dos veces más sensibles.

La misión debería entregar a la EEI, el módulo experimental japonés llamado Kibo (JEM) y el JEM especializado del Sistema Remoto Manipulador de la estación.

Para entonces, se cumple con la tan retrasada misión STS-125, la cual no solo fue postergada 2 veces, sino que también fue el primer vuelo del Atlantis desde hace casi 2 años, y el primer viaje de un transbordador a otro sitio que no sea la EEI desde la destrucción del Columbia.

La NASA ha investigado si sería posible utilizar la misma plataforma para lanzar las dos STS.