为老望远镜更换仪器与保障系统
哈勃空间望远镜自1990年入轨后，已接受四次航天飞机维修。STS-125准备把广域相机3号WFC3、宇宙起源光谱仪COS等新设备送上去，同时修复空间望远镜成像光谱仪STIS和先进巡天相机ACS，并更换陀螺组件、电池及精细导星传感器。任务目标既包括提高观测能力，也包括恢复指向、电力和数据处理的可靠性。
2008年9月，哈勃科学仪器指令与数据处理单元的一侧故障，原定当年10月的任务因此推迟，工程师增加了替换该单元的准备。约翰逊航天中心负责航天飞机与机组，戈达德航天中心负责望远镜控制；空间望远镜科学研究所及承包商参与仪器开发、功能测试和科学验证。
一次没有空间站避难处的飞行
这次飞行前往哈勃，而非国际空间站。两者轨道不同，若“亚特兰蒂斯”号热防护系统受损，剩余推进剂不足以让它转赴空间站避难。NASA因此同时准备STS-400按需发射救援任务，在另一座发射台上安排备用航天飞机，设计两架航天飞机交会和转移乘员的程序。
哈勃也没有专为交会配置的完整相对导航辅助设备。交会方案须限制姿态控制发动机喷流对镜面与结构的污染和冲击，并让机械臂安全抓取望远镜。轨道设计、机械臂、热控、结构与舱外活动团队据此前维修经验，协调正常和应急操作。
参考：[2]
发射、通信中断与抓取
2009年5月11日18时01分UTC，“亚特兰蒂斯”号从肯尼迪航天中心39A发射台升空。指令长为斯科特·奥尔特曼，驾驶员为格雷戈里·C.约翰逊；任务专家包括梅根·麦克阿瑟、约翰·格伦斯菲尔德、迈克尔·马西米诺、安德鲁·福伊斯特尔和迈克尔·古德。
5月13日接近哈勃时，望远镜从中继卫星链路切换到航天飞机链路，地面一度失去指令通道。原因是其数据管理通信模块未从每秒1兆比特科学格式改为航天飞机链路所需的每秒32千比特。重新配置后，机组手动绕飞以取得合适姿态，机械臂抓住哈勃，并把它固定在货舱支架上，为连续维修创造工作平台。
参考：[1]
五天舱外活动的更换与调度
5月14日至18日，四名航天员分成两组，完成五次舱外活动，合计三十六小时五十六分。格伦斯菲尔德与福伊斯特尔先以WFC3换下广域行星相机2号，并安装新的科学仪器指令与数据处理单元。机组也装上软捕获机构，为未来飞行器接近和处置望远镜预留接口。
马西米诺与古德在第二次活动更换三组陀螺组件和一组电池，其中一组陀螺难以装入，改用备用组件才完成。第三次活动以COS换下早期纠正主镜像差的COSTAR装置。后续又完成另一组电池、精细导星传感器及外部隔热毯更换。临时困难会改变工作顺序，尚未完成的任务被转移到后续舱外活动中。
参考：[1]
在轨拆开仪器电子箱
ACS与STIS的维修深入到电子线路板层级。戈达德工程师为此研制专用工具，机组在第三次舱外活动为ACS安装新的广域通道电子板和电源。第四次活动则更换STIS主电子箱内失效的低压电源板。挡在前面的扶手有一颗螺栓无法卸下，反复尝试后，马西米诺拉断固定螺栓，移开扶手，才得以继续。
维修后的功能测试恢复了STIS和ACS广域通道；ACS高分辨率通道未能恢复。年度技术报告还记录，更新控制电子设备后，ACS广域通道CCD读出噪声约从五个电子降到四个电子。
释放、返航与地面验证
5月19日12时58分UTC，机械臂释放哈勃。“亚特兰蒂斯”号随后远离望远镜，完成返航检查。佛罗里达天气不佳，着陆改到加利福尼亚州爱德华兹空军基地；5月24日15时39分UTC，主起落架在22号跑道接地，飞行约十二天二十一小时三十七分。
维修后，哈勃经历约四个月的轨道验证，对新装和修复仪器进行调焦、对准、校准与性能测试，9月9日公布首批观测成果。COS团队的2010年技术论文报告，其紫外波段扩展至约900—3200埃，峰值有效面积接近3000平方厘米；实际线展宽使部分远紫外模式的半高全宽分辨本领约为16000—21000。飞行中的安装、随后的仪器验收和长期天文观测由此构成连续而不同的阶段。