La 1 februarie, Columbia s-a pregătit să se întoarcă pe Pământ pe o traiectorie care o va duce deasupra SUA de la vest la est. La ora 8:15 EST, cu aproximativ o oră înainte ca Columbia să aterizeze, și-a aprins motoarele și și-a schimbat cursul astfel încât să reintre în atmosferă. O înregistrare video de 13 minute înregistrată în cabină, care se încheie cu 11 minute înainte de pierderea semnalului de la Columbia, îi arată pe astronauți bine dispuși și inconștienți de pericol. În momentul în care Columbia a intrat în atmosferă, aerul s-a încălzit în jurul său din cauza navetei care se deplasa cu o viteză extremă, de peste douăzeci de ori mai mare decât viteza sunetului. Acest aer a reușit să pătrundă în aripă prin gaura făcută în timpul lansării, topindu-se prin ea și făcând ca naveta să piardă portanța pe acea parte. Această pierdere de portanță a făcut ca naveta să se abată de la traiectoria de reintrare, să se rostogolească și să se rupă din cauza rezistenței aerului.
Columbia a trecut deasupra Californiei la ora 8:53. Înregistrarea video arată producerea de flash-uri și o dâră neobișnuită lăsată în urma lui Columbia, pe care chiar și observatorii pasionați au văzut-o ca fiind ieșită din comun. În acest moment, temperatura părții avariate a aripii era de aproximativ 1.650°C (3.000°F). La ora 8:58, Columbia, care se deplasa în continuare cu viteze incredibile, a trecut din New Mexico în Texas, moment în care a început să arunce resturi. În acest moment, mai mulți senzori de temperatură din aripa stângă avariată au încetat să mai funcționeze, iar unul dintre controlorii de zbor a raportat că senzorii de presiune a pneurilor de pe acea parte au raportat "off scale low" - ceea ce înseamnă că este o citire care se situează sub capacitatea minimă a senzorului și indică, de obicei, faptul că senzorul a încetat să mai funcționeze, din cauza unor factori interni sau externi, nu că cantitatea pe care o măsoară este de fapt sub valoarea minimă de răspuns a senzorului.
Ultima comunicare cu comandantul Rick Husband a fost "Roger, uh bu-" la ora 8:59. 45 de secunde mai târziu, o înregistrare video de la sol arată cum Columbia se destramă. Centrul de control al misiunii a început procedurile în caz de dezastru la ora 9:12.
