Als vierte Mission des sogenannten „Discovery“ Programms der NASA startete am 07.02.1999 um 21:04 UTC mit einer Delta 7426 die Raumsonde Stardust. Ziel der Mission war die erstmalige Bergung und Analyse von Kometenmaterie. Nach dem geglückten Start von Cape Canaveral, wegen technischer Probleme mit Bodeninstallationen (Radar) um einen Tag verspätet, erreichte Stardust zunächst eine Parkbahn um die Erde. Es folgten Systemtests bevor die Sonde exakt räumlich ausgerichtet wurde und das Star-​37FM Triebwerk der dritten Raketenstufe zündete und diese auf die gewünschte heliozentrische Bahn beschleunigte. Bis zum März 2000 umkreiste Stardust zunächst die Sonne, bevor eine Triebwerkszündung die Bahn so veränderte, daß sie sich (noch immer auf einer heliozentrischen Bahn) wieder der Erde näherte. Die neue Bahn führte auch durch ein Gebiet interstellarer Materie, deren Ursprung im Sternbild „Sagittarius“ liegt. Die Analyse dieser Staubpartikel war neben der Erforschung des Kometen 81P „Wild-​2″ wichtigster Missionspunkt von Stardust. Hierfür verfügte die Sonde über einen sogenannten Aerogel Kollektor. Aerogel besteht wie Glas aus Siliziumdioxid, dem jedoch in einem speziellen Verfahren die flüssigen Bestandteile entzogen werden. Dabei entsteht ein extrem leichtes und dabei elastisches, durchsichtiges Material mit weiteren verblüffenden Eigenschaften. Waben aus diesem porösen Aerogel bildeten nun den Kollektor für den interstellaren Staub sowie später auch die Materie des Kometen. In einer ersten Kampagne wurde der Kollektor von März bis Mai 2000 geöffnet, um Proben einzufangen. Am 15.01.2001 nahm Stardust dann in einem fly-​by Manöver an der Erde (etwa 6.000 km Abstand) die notwendige Energie auf, um auf einem gestreckten Orbit weitere zwei Mal die Sonne zu umkreisen. Zu Kalibrierungszwecken nahm die Kamera dabei 23 Fotos des Erdmondes auf. Diese zeigten zur Freude der Wissenschaftler, daß sich der Schleier aus kondensierten Gasen, der sich nach dem Start über die Optik gelegt hatte, durch gezieltes Erhitzen weitgehend verflüchtigt hatte. Zwischen August und Dezember 2002 wurde das Sammeln interstellarer Materie wieder aufgenommen. Dann passierte Stardust am 02.11.2002 den Asteroiden 5535 „Annefrank“. Fotos wurden aufgenommen und der Kollektor geöffnet. Insgesamt wurde an dem Asteroiden der Verlauf des Rendezvous mit dem Kometen „Wild-​2″ durchexerziert. Am 23.07.2003 hatte Stardust den zweiten Umlauf um die Sonne beendet und begann mit dem dritten. Kurskorrekturen am 16.07.2003 (TCM-​9) und 03.12.2003 (TCM-​10) brachten die Sonde schließlich auf die endgültige Bahn zum Ziel, dem Kometen „Wild-​2″. Am 31.12.2003 trat Stardust in die Koma des Kometen ein. Am 02./03.01.2004 fand dann das eigentliche Rendezvous mit dem Kometen statt. „Wild-​2″ befand sich zu diesem Zeitpunkt relativ weit von der Sonne entfernt, was seine Aktivität reduzierte. Denn Stardust näherte sich bis auf 240 km an den Kometen, was die Sonde einem Bombardement von Staubpartikeln aussetzte, das auch mehrfach die oberen Schutzschichten von Stardust durchschlug. Dennoch blieb die Sonde intakt und sammelte planmäßig Partikel des Kometen mit dem Aerogel Kollektor auf. Dazu kamen 72 Fotos der Kamera, die eigentlich als Navigationssystem mitgeführt worden war. Es wurden die bis dahin besten Aufnahmen vom Kern eines Kometen. Sie zeigten erstmals nicht nur die austretenden Partikelströme, sondern sogar ihren Ursprung. Die Rückseite des Aerogel Kollektors, die genutzt wurde, um Kometenmaterie einzufangen, wurde nach rund sechs Stunden versiegelt. Die in der Phase der größten Annäherung gespeicherten Fotos, wurden wenig später übermittelt, als ein sicherer Funkkontakt über die Hochgewinn-​Antenne gewährleistet war. Die Überprüfung des Status von Stardust nach dem Rendezvous mit „Wild-​2″ zeigte die erwartete Degradation des der Kamera vorgeschalteten Periskops. Die Solarzellen hatten den Vorbeiflug dagegen unbeschadet überstanden. Aus bahnmechanischen Gründen dauerte es nun noch bis zum Jahr 2006, bis sich Stardust wieder der Erde näherte. Nach drei Bahnkorrekturen kehrte die Sonde dann am 15.01.2006 zur Erde zurück. In knapp 111.000 km Entfernung von der Erde trennte sich schließlich eine kleine Rückkehrkapsel ab. An Bord der Aerogel Kollektor. Während Stardust weiter die Sonne umkreiste, kehrte diese Kapsel mit einem mehrstufigen Brems– und Fallschirm zur Erde zurück. Im Gegensatz zur ähnlich konzipierten Genesis Mission verlief diesmal alles nach Plan und die Kapsel landete sicher am 15.01.2006 um 10:12 UTC auf der Utah Test and Training Range Militärbasis, in der Nähe von Salt Lake City. Rund 45 min später hatte einer der mit Wärmebildkameras ausgerüsteten Hubschrauber die Kapsel entdeckt, die wenig später geborgen werden konnte.
Die Stardust Muttersonde wurde dagegen am 29.01.2006 in einen „Schlafmodus“ versetzt, während die NASA eine erweiterte Mission konzipierte. Diese erhielt im Juli 2007 den Namen Stardust-​NExT (New Exploration of Tempel) und führte in die Nähe des Kometen „Tempel-​1“. Diesen hatte ein halbes Jahr zuvor die Sonde Deep Impact 1 angeflogen. Deren insgesamt sehr erfolgreiche Mission war etwas dadurch getrübt worden, daß es nicht gelungen war, gute Aufnahmen von dem Krater zu gewinnen, den ein von Deep Impact abgefeuerter Impaktor hinterlassen hatte. Das sollte nun nachgeholt werden. Tatsächlich passierte Stardust den Kometenkern (nach einem neuerlichen swing-​by Manöver an der Erde am 14.01.2009) am 15.02.2011 um 04:39 UTC in nur 181 km Entfernung. Dabei wurden 64 Aufnahmen übertragen, die auch von Deep Impact zuvor gar nicht abgebildete Regionen zeigten. Auch der Krater konnte ausgemacht werden, allerdings war er kaum erkennbar und schon wieder deutlich erodiert. Nach diesem Vorbeiflug waren mit den geringen verbliebenen Treibstoffreserven keine lohnenden Ziele mehr erreichbar. Daher zündeten die Triebwerke am 24.03.2011 ein letztes Mal, um den Resttreibstoff zu verbrennen. Dann wurde der Datenempfang eingestellt.