Op 1 februari maakte Columbia zich klaar om naar de aarde terug te keren op een pad dat over de VS van west naar oost zou voeren. Om 8:15 EST, ongeveer een uur voordat Columbia zou landen, ontstak het zijn motoren en veranderde het zijn koers zodat het de atmosfeer weer zou binnenkomen. Een video van 13 minuten, opgenomen in de cabine, die elf minuten voor het signaalverlies van Columbia eindigt, toont de astronauten in goede stemming en onbewust van het gevaar. Toen Columbia de atmosfeer binnenkwam, warmde de lucht rondom de Shuttle op door de extreme snelheden van meer dan twintig keer de geluidssnelheid. Deze lucht kon de vleugel binnendringen door het gat dat tijdens de lancering was gemaakt, waardoor deze smolt en de Shuttle aan die kant zijn draagkracht verloor. Dit verlies van draagkracht zorgde ervoor dat de Shuttle van zijn terugkeerbaan afdraaide, tuimelde en brak door de luchtweerstand.
Columbia passeerde Californië om 8:53 uur. De video toont flitsen en een ongewoon spoor dat de Columbia achterliet, wat zelfs hobbyisten als ongewoon zagen. Op dat moment was de temperatuur van het beschadigde deel van de vleugel ongeveer 3.000°F (1.650°C). Tegen 8:58 uur stak Columbia, die nog steeds met ongelooflijke snelheden bewoog, vanuit New Mexico Texas binnen, waar hij brokstukken begon af te werpen. Tegen die tijd waren verschillende temperatuursensoren in de beschadigde linkervleugel gestopt met werken, en een van de vluchtleiders meldde dat de bandendruksensoren aan die kant "off scale low" meldden - wat betekent dat het een waarde is die onder de minimale capaciteit van de sensor valt, en het geeft meestal aan dat de sensor is gestopt met functioneren, als gevolg van interne of externe factoren, niet dat de hoeveelheid die wordt gemeten daadwerkelijk onder de minimale responswaarde van de sensor ligt.
De laatste communicatie met commandant Rick Husband was "Roger, uh bu-" om 8:59. 45 seconden later toont een video vanaf de grond dat Columbia uit elkaar valt. Om 9:12 begon Mission Control met de rampenprocedures.