Después de su lanzamiento el 7 de febrero del 199, la Stardust sobrevoló el cometa Wild 2 el 2 de enero de 2004 . Durante su paso por la cola del cometa recogió muestras de polvo de su coma y tomó fotografías detalladas de su núcleo de hielo. Posteriormente la Stardust se acercó a la Tierra y se desprendió de la cápsula que contendía el material recogido; la sonda prosiguió su viaje y la cápsula aterrizó el 15 de enero de 2006 al desierto del Gran Lago Salado, en Utah, cerca del campo de pruebas de Dugway del ejército de los Estados Unidos. Esta misión es el primer intento de recoger polvo espacial más allá de la Luna y se supone que la edad de las partículas se remonta a los orígenes del sistema solar. En el momento de su reentrada en la Tierra, la cápsula viajaba a 46.446 km/h, lo cual la convierte en el objeto hecho por el hombre que ha reentrat más rápido a la atmósfera terrestre. En aquellos momentos se observó una gran bola de fuego y se pudo sentir la ola acústica al oeste de Utah y al este de Nevada .
El 19 de marzo de 2006 el equipo de la Stardust anunció la posibilidad de redirigir la sonda en una misión secundaria para fotografiar el cometa Tempel 1, el mismo que fue estudiado por la sonda de impacto de la misión Deep Impact el 2005. Si finalmente se aprueba la propuesta el sobrevol del Tempel 1 está previsto para el 2011.
Los primeros resultados sobre la composición del polvo cometària, obtenidos por el equipo de científicos a principios de 2006, fueron sorpresivos. Los cometas, o como mínimo el Wild 2, tienen en su interior muchos más componentes y más complejos del que se creía, como titanio, vanadio y nitrógeno . También se han encontrado muestras de minerales que debien formarse a temperaturas extremadamente elevadas, como la olivina, la diopsida, la forsterita y la anortita. Esto es consistente con las anteriores observaciones astronómicas de objetos estelars jóvenes cercanos que indican que la olivina es presente en las regiones donde se cree que se produce formación de comillas, y también con la detección espectral de olivina a las colas otras comillas.