A Stardust 2004 januárjában haladt el a Wild 2 üstökös mellett, miközben a magból kiáramló anyagból mintát fogott be és fényképeket készített az égitestről. Az összegyűjtött anyagminták 2006-ban egy ejtőernyővel ellátott fémdobozban érkeztek vissza a Földre. A Stardust küldetése ezzel be is fejeződhetett volna, de a szonda fedélzeti műszerei a tervezett élettartamukhoz képest még olyan jó állapotban voltak, hogy 2011. február 15-én sikerült fényképeket készítenie a Nap mögött tartózkodó Tempel 1 üstökösről.

A terveknek megfelelően közép-európai idő szerint február 15-én a hajnali órákban haladt el a Stardust a 6 kilométer széles üstökös mellett, amelyről 72 darab nagyfelbontású felvételt készített és küldött vissza a Földre.

A szonda a Földtől 2 csillagászati egységre (1 cse, a Nap és a Föld átlagos távolsága) találkozott a Tempel 1 üstökössel, amelyet 177 kilométeres távolságra közelített meg. Az újabb képekkel a csillagászok azt akarták ellenőrizni, hogy milyen nyomokat hagyott 2005-ben a Deep Impact nevű szonda 360 kilogrammos, rézből készült becsapódó modulja.

Az öt évvel ezelőtti "kozmikus tűzijátékkal" a Tempel 1 anyagösszetételét vizsgálták a szakemberek. A becsapódáskor keletkezett por elemzésével a kutatók első ízben nyerhettek betekintést egy üstökös belső szerkezetébe. A felverődő részecskék azonban annyira csillogtak, hogy az ütközéskor keletkezett kráterből a felvételeken szinte semmi sem volt látható.

A Stardust több mint 12 év után végleg kikapcsolt, a földi irányítás utolsó parancsa az volt, hogy a szonda égesse el a maradék üzemanyagát. Ez a művelet közép-európai idős szerint csütörtök éjjel 11 óra 41 perckor kezdődött és kevesebb, mint két és fél percig tartott.

Erre azért volt szükség, hogy ki lehessen számolni a szonda üzemanyag-felhasználását, ugyanis a földi folyadékmérő-rendszerek a súlytalanság állapotában nem használhatók. A mérnökök pedig a teljes fogyasztásból, illetve a megmaradt üzemanyag mennyiségéből tervezhetik meg a későbbi szondák fogyasztását.

A hajtóerő nélkül maradt szonda ezután már nem volt képes antennáit a Föld irányába fordítani, így az instabil Stardusttal pénteken hajnalban 0:33 perckor végleg megszakadt a kapcsolat.