El seu llançament tingué lloc al 1999. El 2 de gener de 2004 la Stardust passà a 240 km del cometa Wild 2. Durant l’encontre la nau realitzà diverses fotografies i capturà partícules cometàries que portà fins a la Terra per a la seva anàlisi detallada. Les primeres dades enviades per la nau mostraren que, contràriament al que hom creia, la coma del cometa no té una densitat de partícules uniforme, sinó que s’hi alternen zones molt denses amb d’altres pràcticament buides. El 16 de gener de 2006 tornava a la Terra la càpsula de la sonda amb les mostres de pols del cometa Wild-2. L’anàlisi de les mostres, al voltant d’un milió de partícules de pols cometari i interplanetari de fins a 1.000 micròmetres de diàmetre, han revelat la presència de diversos compostos orgànics, així com silicats amorfs i cristal·lins. Després de visitar el cometa Wild-2, la Stardust fou reorientada per apropar-se al cometa Temple-1, al febrer del 2011. Aquest cometa ja havia estat visitat per la sonda Deep Impact el 2005, la qual havia fet impactar una petita càpsula a la seva superfície. La Stardust captà diverses imatges del cometa, incloent-hi el cràter format per l’impacte. Al març del 2011 la missió es donà oficialment per finalitzada.