Program misji Sonda Hayabusa została wyniesiona w przestrzeń kosmiczną 9 maja 2003 o godz. 04:29:25 czasu UTC przy pomocy rakiety M-5 z kosmodromu Uchinoura (wtedy znanego jeszcze jako kosmodrom Kagoshima). Statek został wyposażony w prototypowe silniki jonowe. Ich niezwykła sprawność pozwoliła na ciągłe rozpędzanie sondy przez prawie dwa lata bez przerwy. W ten sposób w krótkim czasie sonda mogła zbliżyć się do celu, krążąc po orbicie heliocentrycznej w pobliżu (25143) Itokawa.
Początkowo sonda badała planetoidę z odległości około 20 km. Następnie Hayabusa zbliżyła się do powierzchni i wykonała serię miękkich lądowań pobierając próbki z dwóch miejsc. Sterowanie odbywało się całkowicie autonomicznie w oparciu o system wizyjny. Zdalne kierowanie sondą z Ziemi było niemożliwe, ze względu na znaczące opóźnienie w komunikacji (kilkadziesiąt minut). Kiedy Hayabusa osiadła na powierzchni planetoidy wystrzeliła w jej kierunku miniaturowy pocisk, a zasobniki zebrały pył, który się uniósł. Próbki o masie około jednego grama zostały dostarczone we wnętrzu kapsuły lądownika.