Start von Cape Canaveral (KSC); Mission SH-DM. Wegen der nach den Terroranschlägen des 11. September 2001 erlassenen Sicherheitsbestimmungen wurde der genaue Zeitpunkt des Starts am 16. Januar 2003 nicht genannt. Lediglich ein vierstündiges Fenster (15:00 bis 19:00 UTC) wurde bekanntgegeben, innerhalb dessen der Start erfolgen würde. Diese Verschleierungsmaßnahmen betrafen weitere Stationen der Vorbereitungen, aus denen sich der Moment des Starts hätte kalkulieren lassen, wie das Eintreffen der Mannschaft in Florida, den Beginn des Countdowns usw. Erst 24 Stunden vor dem geplanten Starttermin wurde der Zeitpunkt mitgeteilt.
Beim Landeanflug brach das Shuttle über Texas auseinander und alle sieben Astronauten kamen dabei ums Leben.

Die Columbia umkreiste die Erde in einer Höhe zwischen 272 und 289 Kilometern, als am 01. Februar 2003 um 13:15 UTC für zweieinhalb Minuten die Bremstriebwerke gezündet wurden. Die Wetterbedingungen für eine Landung in Florida waren, abgesehen von örtlichen Nebelfeldern und tiefhängenden Wolken, gut. Um 14:15:50 UTC sollte die Raumfähre im Kennedy Space Center auf Landebahn 33 mit dem Hauptfahrwerk aufsetzen.

Über dem Pazifik trat der Orbiter um 13:44 UTC in 122 Kilometern Höhe in die dichteren Schichten der Atmosphäre ein. Sieben Minuten später erreichte die Columbia nördlich von San Francisco die Westküste der USA. Die Fähre brach 16 Minuten vor der geplanten Landung in einer Höhe von 63,1 Kilometern über Texas auseinander. Nach dem Eintreten in die dichtere Atmosphäre hatten sich in den Telemetriedaten Anzeichen für Unregelmäßigkeiten gehäuft.

Wie die spätere Rekonstruktion des Unglücks ergab, zeigten sich um 13:48 UTC die ersten Hinweise auf ein ungewöhnliches Verhalten, als die Belastungssensoren in der linken Flügelvorderkante anomale Werte lieferten. 20 Sekunden später stieg die Temperatur an dieser Stelle sprunghaft an. Heiße Gase mit einer Temperatur von etwa 1.800 °C waren durch die Flügelvorderkante in die Tragfläche eingedrungen und zerstörten deren Struktur. Das während des Starts abgefallene Bruchstück der Tankisolierung hatte die aus verstärktem Kohlenstoff (Reinforced Carbon Carbon, kurz: RCC) bestehende Flügelvorderkante beschädigt.

Um 13:59 UTC fand der letzte Funkkontakt mit der Columbia statt. Kurz zuvor hatte die Columbia von New Mexico kommend die Grenze zu Texas überflogen. Jeff Kling, der verantwortliche Ingenieur für die Mechanik der Raumfähre in der Flugkontrolle, informierte Flugdirektor Cain, dass er von beiden Reifen des linken Hauptfahrwerks keine Druckwerte mehr erhalte. Dann riss um 13:59:22 UTC erstmals die Telemetrie-Verbindung ab – die Kontrolleure in Houston erhielten keine Daten mehr. Eine Sekunde später gab Verbindungssprecher Charles Hobaugh an Shuttle-Kommandant Rick Husband durch, dass man den Reifendruck beobachte. Dieser quittierte mit einem „Roger“, als mitten im nächsten Wort die Verbindung um 13:59:32 UTC abbrach. Die letzten Datenfragmente erreichten Houston eine halbe Minute danach, bevor der Kontakt endgültig abriss und die Columbia über Texas auseinanderbrach. Manche Teile der Columbia verglühten, andere gingen als Trümmerregen über den Südstaaten der USA nieder.

Als Ursache für das Unglück wurde festgestellt, dass sich während des Starts ein Stück Isolierschaum vom Außentank gelöst hatte. Dabei wurde der Hitzeschutzschild am linken Flügel der Columbia beschädigt. Dies führte während des Landeanfluges zu einer extremen Überhitzung des Space Shuttle. Als dessen Folge brach der Orbiter auseinander.

Mehr als 80 verschiedene Experimente auf so unterschiedlichen Gebieten wie Erderkundung, Raumfahrtwissenschaften, Sicherheit von Raumfahrern, Biologie und die Erforschung neuer Weltraum-Technologien waren während des Raumfluges durchgeführt. Einzelexperimente waren u.a. Kristallzüchtungen im Weltraum, Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf die Knochendichte, Wachstum von Tumorzellen (die im All offensichtlich schneller wachsen) und das Verhalten von Flammen in der Schwerelosigkeit. Israel steuerte vier Einzelexperimente bei. So wurde mit einer Spezialkamera die Auswirkungen von Wüstenstaubwolken auf die Wolkenbildung bzw. Regenfälle untersucht. Außerdem wurden Gewitterwolken und hier speziell die roten und blauen Blitzlichter (sogenannte sprites), sowie die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf Bakterien untersucht. Ein von Studenten konzipiertes chemisches Experiment rundete den israelischen Beitrag ab. Konsequenterweise war der israelische Payload Spezialist Ilan Ramon mit diesen Forschungen betraut.

Zur optimalen Nutzung der Experimente arbeitete die siebenköpfige Besatzung im Zwei-Schicht-Betrieb. Nach jeweils zwölf Stunden wechselten sich die Gruppen ab. Das Blaue Team wurde von Pilot William McCool sowie den Missionsspezialisten Michael Anderson und David Brown gebildet. Kommandant Rick Husband, die zwei Missionsspezialistinnen Kalpana Chawla und Laurel Clark sowie der Nutzlastexperte Ilan Ramon stellten das Rote Team.

Bei einem der ungewöhnlichsten Experimente ging es um Düfte. International Flavors & Fragrances, einer der weltweit führenden Produzenten von Düften und Parfümen mit Sitz in New York City, schickte eine Rose mit sechs Knospen und eine asiatische Reisblume auf die Reise. Während des Fluges wurden die Duftmoleküle mit einer Sonde eingefangen. Zurück auf der Erde sollten diese mit Massenspektrometern und Gaschromatographen auf ihre Zusammensetzung untersucht werden. Bereits vier Jahre zuvor war eine Rose im Auftrag der Wissenschaft an Bord einer Raumfähre (STS-95).

Die ESA war mit vier der 32 Forschungsprojekte beteiligt, die sich in 14 Einzelexperimente unterteilten. Darunter befanden sich drei Beiträge aus Deutschland: Dr. Uwe Hoffmann von der Deutschen Sporthochschule Köln erforschte den „Einfluss der Schwerelosigkeit auf Herzschlag und Blutdruck“ und Dr. Reinhard Miller vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm untersuchte im FAST-Modul (Facility for Adsorption and Surface Tension) Fragen zur Oberflächenspannung. Weiterhin hatte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit CEBAS (Closed Equilibrated Biological Aquatic System) ein Mini-Aquarium im Mitteldeck. Darin wurde die Entwicklung der Embryos, das Sexualverhalten und der Skelettaufbau an vier ausgewachsenen und zwölf Jungfischen des Schwertträgers sowie der Aufbau des Innenohrs von 50 Buntbarschlarven untersucht. CEBAS wurde von der Bremer Firma OHB-System entwickelt, hatte ein Volumen von 8,3 Litern und flog nach STS-89 und STS-90 seinen dritten Einsatz.

Sechs Experimente waren Projekte von Studenten aus sechs Ländern im STARS-Programm (Space Technology And Research Students) der Spacehab-Tochter Space Media zusammengefasst: Ein chinesischer Versuch ging der Frage nach, wie die Mikrogravitation die Entwicklung des Seidenspinners beeinflusst. Dazu waren drei Puppen und fünf Exemplare des Schmetterlings an Bord. Mit acht Radnetzspinnen untersuchte eine australische Gruppe, wie sich der Verlust der Schwerkraft auf den Netzbau auswirkt. Ein Liechtensteiner Gymnasium testete an drei Holzbienen deren Verhalten beim Tunnelbau im All. Japanische Schüler hatten vier Eier des Reisfisches vorbereitet, um festzustellen, ob sich Fischbrut in der Schwerelosigkeit schneller entwickelt als auf der Erde. Die Matzkin-Schule im israelischen Haifa erforschte das Wachstum kristalliner Fasern und Schüler einer US-High-School in Syracuse (New York) untersuchten einen Kleinststaat von 15 Ernteameisen auf Veränderungen in deren Sozialverhalten.

Ein NASA-eigenes Projekt galt der Kommunikation über das Internet. Dabei wurden Informationen zwischen Bodenstation und Raumfähre per Internet Protocol ausgetauscht. Zu diesem Zweck war an Bord der Columbia ein PC mit einem 233-MHz-Prozessor und einem 128 MB großen Arbeitsspeicher. Als Betriebssystem war Red Hat Linux installiert. Über ein Satellitenrelais wurde mit dem Goddard Space Flight Center eine Verbindung hergestellt.

Außerdem befand sich hinter dem Spacehab-Modul eine Brückenstruktur in der Nutzlastbucht. Darauf waren sechs Experimente unter der Bezeichnung FREESTAR (Fast Reaction Experiments Enabling Science, Technology, Applications and Research) gruppiert: SEM-14 (Space Experiment Module), LPT (Low Power Transceiver), CVX-2 (Critical Viscosity of Xenon-2), MEIDEX (MEditerranean Israeli Dust EXperiment), SOLCON-3 (SOLar CONstant experiment-3) und SOLSE-2 (Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment).

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt war der Verbrennungslehre gewidmet. Dabei wurde im Combustion Module das Verhalten von Flammen in der Schwerelosigkeit untersucht. Das SOFBALL-Experiment (Structures Of Flame Balls At Low Lewis-number) erforschte Verbrennungsabläufe, die nur mit einer geringen Menge brennbaren Materials durchgeführt werden. Dabei wurden Gasmischungen mit minimaler Sättigung entzündet: Wasserstoff, dessen unsichtbare Flamme nur über eine spezielle Videoanlage betrachtet werden konnte, und Methan, das eine schwach bläuliche Farbe hat. Hintergrund des Experiments war die Entwicklung von Motoren mit besserer Kraftstoffnutzung und geringerem Schadstoffausstoß sowie die Verbesserung des Brandschutzes. SOFBALL hatte sein Debüt 1997 auf der MSL-1-Mission (Microgravity Science Laboratory 1) mit den Flügen STS-83 und STS-94