纽约时间2月1日8时,北京时间20时00(下面方便阅读使用北京时间)：“哥伦比亚”号在距地面280公里的轨道上绕地球飞行，乘务人员得到休斯顿地面任务控制中心的绿灯信号，开始做重新返回地球大气层的最后准备。
北京时间20时49分，nasa向“哥伦比亚”号发出开始降落重新定位指令。当时，佛罗里达的卡纳维拉尔角降落带的上空有雾。
21时09分，天空上的雾散去。返回飞行指挥官勒鲁瓦·卡恩向“哥伦比亚”号发出离开地球轨道指令。
21时15分，“哥伦比亚”号飞临印度洋上空。这时，“哥伦比亚”号上的小型方向控制用火箭发动机打开，时间为3分钟。航天飞机的尾部向着地球，开始降落。
21时23分，惯性制导电脑的自动导航系统指挥航天飞机调整为前端在前、尾翼向下的姿势。
21时32分，辅助动力装置被打开，以便向控制航天飞机副翼和起落架的水压系统增加压力。
21时42分，“哥伦比亚”号到达位于太平洋上空144公里的位置，这时的火箭发动机以每小时27,000公里(声速的25倍)的速度工作着。
21时44分，“哥伦比亚”号开始“进入大气层”，其前端向上抬升，保持一个40度的仰角，这样，航天飞机外的陶瓷阻热瓦能够承受飞机进入浓厚大气层时与大气层摩擦产生的所有热量。陶瓷阻热瓦开始升温。
21时46分，“哥伦比亚”号距地面只有102公里了，并准备在30分钟内着陆，逐渐地，它穿越加利福尼亚、内华达、新墨西哥、亚利桑那、得克萨斯、路易斯安那州的墨西哥湾沿岸，最后到达佛罗里达州上空。
21时49分，“哥伦比亚”号开始按原计划逐渐减缓飞行速度，它的前端超着右侧飞行。
21时52分，“哥伦比亚”号越过加利福尼亚海岸。休斯顿地面任务控制中心的控制记录显示，航天飞机的左侧起落架温度发生轻微异常变化。三个水压热传感器显示的左侧起落架温度在华氏40到60度(摄氏8至15度)之间。
21时53分，航天飞机左翼第4个传感器显示温度仍在上升。
21时54分，整个机身的温度因左翼温度上升而上升了摄氏15度。
21时55分，“哥伦比亚”号飞临内华达沙漠上空。
21时56分，“哥伦比亚”号飞临亚利桑那州南部上空。
21时57分，在飞临新墨西哥州上空时，仍受自动导航系统控制的航天飞机开始向左偏转，速度再次下降。休斯顿地面任务控制中心失去与航天飞机左翼温度传感器数据传输之间的联系。
21时58分，航天飞机左侧一种无法解释清楚的力量推动“哥伦比亚”号向左滚动，配平滚动稳定器自动打开，试图修正航天飞机的降落位置。
21时59分，航天飞机上的机载电脑试图通过启动2部偏航喷气推进器进一步修正自己的位置。在距离地面61公里的高度、“哥伦比亚”号以时速21,000公里的速度进入得克萨斯上空。休斯顿地面任务控制中心记录下了最后的无线电联络信号：“哥伦比亚，这里是休斯顿。我们看到你们的轮胎压力信息，但没有抄下你们最后的数据。”
过了片刻，“哥伦比亚”号机长里克·赫斯本德回答：“收到，但……”
听到一阵噪音短波之后，地面与“哥伦比亚”号便失去了联系。
22时0分，在失去所有无线电联系的情况下，休斯顿地面任务控制中心继续在雷达上跟踪着“哥伦比亚”号。地面目击人员报告称，他们看到“哥伦比亚”号碎裂成无数小块，在天空拖过一条长长的白烟。
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