Zu einer spektakulären Mission, die zu einer Demonstration der wahren Möglichkeiten des Space Shuttle geriet, startete am 11.02.1997 um 08:55 UTC die US Raumfähre „Discovery“. Ziel der siebenköpfigen Crew war das Weltraumteleskop Hubble, das bei seiner zweiten Wartungsmission neue Instrumente erhalten und bei dem defekte Untersysteme ersetzt werden sollten. Die lange und gründlich vorbereitete Mission begann mit einem pünktlichen Start. Nach drei Tagen hatte sich die „Discovery“ dem HST bis auf wenige hundert Meter genähert. Der Druck in der Luftschleuse war bereits zur Vorbereitung der Außenbordmanöver abgesenkt worden, die Solarzellen des HST gesichert und seine empfindlichen Sensoren und das Teleskop abgedeckt. Kommandant Kenneth Bowersox und Pilot Scott Horowitz brachten den Orbiter nun bis auf etwa zehn Meter an das Weltraumteleskop heran, so daß es Missionsspezialist Steven Hawley, der das HST 1990 bei der STS-​31  Mission auch ausgesetzt hatte, mit dem Manipulatorarm „einfangen“ konnte. Eine halbe Stunde später war Hubble am 13.02.1997 in der Nutzlastbucht verankert. Nach einer ersten Inspektion durch die Kameras am RMS Arm bereiteten sich die Missionsspezialisten Mark Lee und Steven Smith auf das erste Außenbordmanöver vor. Dieses fand am 13.02.1997 statt und dauerte 6:42 h. In dieser Zeit ersetzten Lee und Smith den Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) durch den Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) und den Faint Object Spectrograph (FOS) durch den das Near Infrared Camera and Multi-​Object Spectrometer (NICMOS). Mit den neuen Instrumenten vervielfachte sich die Leistung des HST im Bereich der zweidimensionalen Spektroskopie. Das Hantieren mit den immerhin telefonzellengroßen Instrumenten war auf der Erde im Wassertank von Houston immer wieder trainiert worden und verlief ohne Probleme. Nachdem die ausgebauten Instrumente in den Transportcontainern in der Nutzlastbucht gesichert und die Arbeiten an den neuen Systemen abgeschlossen waren, kehrten die Astronauten in die Luftschleuse zurück. An Bord der „Discovery“ bereiteten sich unterdessen schon die beiden anderen Missionsspezialisten, Joseph Tanner und Gregory Harbaugh auf ihr Außenbordmanöver vor. Dieses fand am 14.02.1997 statt und begann sogar eine Stunde früher, als es der ursprüngliche Flugplan vorsah. In der vorangegangenen Nacht hatte die Flugleitung die neu eingebauten Instrumente erfolgreich aktiviert. Nun standen aber Reparaturen an dem inzwischen sieben Jahre alten Teleskop an. Ein defekter Daten-​Rekorder mußte ersetzt werden, wobei die Technik der 1970^er Jahre einem modernen Solid-​State-​Speicher wich, ein defekter Fluglagesensor wurde getauscht und eine verbesserte Elektronikbox für die Lageregulierung war zu montieren. Die Arbeiten waren zeitintensiv, konnten aber problemlos abgeschlossen werden. Allerdings entdeckten Tanner und Harbaugh bei ihrer EVA Beschädigungen an der Außenhaut des HST. In dem Bereich, der permanent auf die Sonne gerichtet war, gab es Risse in der äußeren Thermoisolierung. Während die beiden Astronauten nach 7:27 h in die Raumfähre zurückkehrten, begannen am Boden Beratungen über den Ernst der Beschädigungen. Noch bevor Lee und Smith am 15.02.1997 zu ihrer zweiten EVA aufbrachen, wurde entschieden, für die Reparaturen ein fünftes Außenbordmanöver in den Flugplan aufzunehmen. Die beiden Astronauten tauschten aber zunächst ein weiteres Bandaufzeichnungsgerät gegen das digitale Nachfolgemodell und ersetzten eine von vier Kreiselplattformen für die Ausrichtung des Teleskops. Außerdem untersuchten sie näher die Schäden an der Außenhaut, die sich als noch großflächiger erwiesen, als zunächst angenommen. Die dritte EVA der STS-​82  „Discovery“ F-​22  Mission dauerte 7:11 h. Am 16.02.1997 waren dann wieder Harbaugh und Tanner an der Reihe, die Arbeiten am HST fortzusetzen. Sie ersetzten die Motorsteuerung für den Antrieb einer der beiden Solarzellenflächen und tauschten die Magnetometerabdeckungen aus, die ihre Kollegen Story Musgrave und Jeffrey Hoffman im Dezember 1993 bei der ersten Hubble Service Mission angebracht hatten. Schwierig war vor allem die Arbeit an der SADE Einheit, da dieses Solar Array Drive Electronics Paket eigentlich nicht für einen Austausch konzipiert worden war. Doch die Arbeiten konnten dank Spezialwerkzeug erfolgreich bewältigt werden. Schließlich befestigten sie zwei mitgebrachte „Flicken“ an der Außenhaut des Teleskops, um so die festgestellten Schäden abzudecken. Pilot Horowitz und Nutzlastkommandant Lee fertigten unterdessen im Mitteldeck des Orbiters aus mitgebrachtem Material nach den Anweisungen von Harbaugh und Tanner weitere Abdeckungen an. Das letzte planmäßige Außenbordmanöver der SM-​02  Mission war nach 6:34 h beendet. Doch am 17.02.1997 waren Lee und Smith nochmals am Hubble tätig. Sie konzentrierten sich auf die drei Stellen der Thermoisolierung, die die gravierendsten Schäden aufwiesen. Hier brachten sie die maßgeschneiderten Abdeckungen an. Zurück in der Luftschleuse mußten die beiden Astronauten zunächst noch abwarten, bis die Flugleitung ein mögliches Problem mit einem der Kreisel für die Positionierung des Teleskops analysiert hatte. Kurzzeitig wurde sogar eine sechste EVA erwogen. Denn ein Ersatzteil befand sich noch an Bord. Doch dann normalisierten sich die Telemetriedaten und die fünfte EVA konnte nach 5:17 h für beendet erklärt werden. Während der letzten Tage hatten Bowersox und Horowitz bei mehreren Manövern die Bahn der „Discovery“ schrittweise um einige Kilometer angehoben. Als Missionsspezialist Hawley am 19.02.1997 Hubble wieder aussetzte, geschah das daher auf einer neuen Rekord-​Bahnhöhe von über 600 km. Wenig später setzte sich die „Discovery“ vorsichtig von dem Teleskop ab. Der Erfolg der Mission würde sich erst in den folgenden Wochen zeigen, wenn alle Systeme getestet und wieder aktiv waren. Doch an Bord des Shuttle bereitete man sich nun auf die Landung vor. Nachdem eine tief reichende Wolkendecke einen ersten Landeversuch unmöglich gemacht hatte, nutzte die Crew die zweite Gelegenheit. Am 21.02.1997 um 08:32 UTC setzte die „Discovery“ nach 239:37 h auf der Runway 15 des KSC
Die nächsten Wochen bestätigten den Erfolg der Servicemission. Hubble war fit für weitere Jahre astronomischer Forschungen. Vor allem aber waren die Verbesserungen an der wissenschaftlichen Ausrüstung signifikant. Einer der führenden HST Experimentatoren sprach sogar von „Hubble 2 “.