Do swojej pierwszej misji kosmicznej Massimino wystartował 1 marca 2002. Podczas lotu pełnił funkcję specjalisty misji (MS-5). Wyprawą dowodził Scott D. Altman. Udział w niej wzięli również: pilot – Duane G. Carey, John M. Grunsfeld (MS-1), Nancy J. Currie (MS-2), Richard M. Linnehan (MS-3) oraz James H. Newman (MS-4). Celem lotu było przechwycenie na orbicie teleskopu Hubble’a i umieszczenie go w ładowni promu, aby wykonać niezbędne prace remontowe. Na platformę serwisową ładowni HTS trafił 3 marca. Massimino dwukrotnie (5 i 7 marca) wychodził na zewnątrz Columbii. Za każdym razem towarzyszył mu J. Newman. Podczas tych wyjść w otwartą przestrzeń kosmiczną astronauci wymienili m.in.: jeden z paneli baterii słonecznych teleskopu, zainstalowali urządzenie kontrolujące system chłodzenia NICMOS, a także umieścili na satelicie nowa kamerę ACS (Advanced Camera for Surveys). W sumie obaj pracowali poza wahadłowcem przez blisko 15 godzin. 9 marca teleskop został ponownie umieszczony na orbicie. Astronauci wylądowali na bieżni Centrum Kosmicznego im. Johna F. Kennedy’ego na Przylądku Canaveral 12 marca, po prawie 11 dniach lotu. Była to ostatnia udana misja Columbii przed katastrofą jaka miała miejsce 1 lutego 2003 podczas powrotu na Ziemię załogi misji STS-107.