Trong chuyến bay cuối cùng, tàu mang theo phi hành gia đầu tiên người Israel, Ilan Ramon, và nữ phi hành gia đầu tiên sinh ra ở Ấn Độ, Kalpana Chawla. Các thành viên khác trong phi hành đoàn trên chuyến bay cuối cùng bao gồm Rick Husband (chỉ huy), Willie McCool (phi công), Michael P. Anderson, Laurel B. Clark và David M. Brown.

Vào buổi sáng 1 tháng 2 năm 2003, tàu con thoi tái nhập vào khí quyển sau một chuyến bay khoa học kéo dài 16 ngày. NASA mất liên lạc vô tuyến vào khoảng 0900 EST, Qua màn hình theo dõi tình trang của tàu, các chuyên gia mặt đất nhận thấy áp suất trên tàu giảm rất nhanh có thể khiến các phi hành gia bị ngất. Trong khi đó một luồng khí cực nóng tràn vào tàu. Module chứa phi hành đoàn tách khỏi tàu và xoay tròn rất nhanh. Nếu các nhà du hành không mất mạng vì những luồng khí nóng thì họ cũng không thể sống sót sau khi cơ thể bị xoay tròn như chong chóng cùng với module. Nói cách khác 7 phi hành gia trên tàu Columbia không có cơ hội sống sót nào. Những băng ghi hình cho thấy tàu đã vỡ ra trong ngọn lửa phía trên tiểu bang Texas, vào độ cao vào khoảng 39 dặm (63 km) và ở tốc độ 12.500 mph (5,6 km/s).

Nguyên nhân được cho là một lượng bọt bằng một chiếc cặp sách rơi vào tấm ván làm bằng chỉ cacbon (tấm thứ tám) bên cánh trái của tàu trong lúc cất cánh 16 ngày trước, làm thủng cánh tàu. Lúc hạ cánh nhiệt độ trong cánh đã tăng lên 4400 độ C và thiêu các bộ phận trong cánh. Một vài người dân ở Texas đã thấy một vài mảnh vỡ bay ra từ tàu trước khi rơi xuống