OSIRIS-REx foi lançado do Cabo Canaveral, Flórida, em um atlas V 411 foguete em 8 de setembro de 2016 as 7:05 pm.
OSIRIS-REx orbitará o sol por um ano, usando o campo gravitacional da Terra para ajudá-lo em seu caminho para Bennu. Em agosto de 2018, a abordagem da OSIRIS-REx para Bennu foi iniciada. Ele vai usar uma série de pequenos propulsores para coincidir com a velocidade de Bennu e ao encontro com o asteróide.
A espaçonave começará um exame detalhado de Bennu dois meses após encontrar Bennu. O processo vai durar mais de um ano, e como parte dele, OSIRIS-REx mapeará sites para colher amostras em potencial. Após a seleção do local final, a espaçonave tocará brevemente a superfície de Bennu para recuperar uma amostra.
O braço de amostragem entrará em contato com a superfície de Bennu por cerca de cinco segundos, durante o qual liberará uma explosão de gás nitrogênio. O procedimento fará com que as rochas e o material de superfície sejam agitados e capturados na cabeça do amostrador.
A espaçonave tema bordo nitrogênio suficiente para permitir três tentativas de amostragem, para coletar entre 60 e 2000 gramas (2-70 onças).
Em março de 2021, a janela para a saída do asteróide foi aberta, e OSIRIS-REx iniciou sua viagem de retorno à Terra, que retornou em setembro de 2023.
A cápsula de retorno da amostra se separará da espaçonave e entrará na Terra atmosfera. A cápsula contendo a amostra será coletada no Teste de Utah e Escala de Treinamento. Durante quatro anos após o retorno da amostra (a partir de 2023-2027), a equipe científica catalogará a amostra e realizará a análise necessária para atingir os objetivos da ciência da missão. A NASA vai preservar pelo menos 75% da amostra no Centro Espacial Johnson da NASA em Houston para futuras pesquisas por cientistas de todo o mundo, incluindo futuras gerações de cientistas.
Simultaneamente ao lançamento do OSIRIS-REx um projeto pioneiro na área de STEM (Science, Technology, Engineering and Math) foi iniciado entre Estados Unidos e Brasil: The AsteroidMission - A Pioneer STEM Education Collaboration PBL Experience.
