Planetida Itokawa została po raz pierwszy zaobserwowana przez szperacz gwiazd w połowie lipca 2005 r. 7 lipca odległość sondy od planetoidy wynosiła 143 100 km. 31 lipca 2005 roku awarii uległo jedno z 3 kół reakcyjnych (w osi X). Sonda mogła jednak nadal pracować z użyciem dwóch kół i silników chemicznych. Po dotarciu do odległości 4 800 km od planetoidy, 28 sierpnia 2004 roku silniki jonowe sondy zostały wyłączone. W tym czasie sonda zbliżała się do planetoidy z szybkością 32 km/h. Do tego momentu silniki jonowe pracowały przez 25 800 godzin. Zużyły 22 kg ksenonu. Łączna zmiana szybkości wyniosła 1.4 km/s.
W dalszym etapie zbliżania się do celu szybkość sondy była zmniejszana przez silniki chemiczne. 2 września odległość do planetoidy wynosiła 1 550 km, 6 września - 500 km, a 7 września - 220 km. Szybkość zbliżania się w końcowym etapie wynosiła 7 km/h.
Ostatni manewr silnikowy pojazd wykonał 12 września 2005 r, o godzinie 01:17 UTC. Spowodował on zmniejszenie szybkości względem planetoidy do 0 i zajęcie pozycji stacjonarnej względem niej. W trakcie badań planetoidy sonda nie weszła na orbitę wokół planetoidy. Pozostała na orbicie heliocentrycznej, w odległości 20.25 kilometrów od powierzchni planetoidy, w tzw. pozycji wejściowej (Gate Poition - GP). Po kilku dniach od dotarcia na tą pozycję rozpoczęły się badania naukowe. Była to pierwsza faza globalnych badań asteroidy. Sonda znajdowała się wtedy mniej więcej na linii łączącej planetoidę z Ziemią. Kąt fazowy podczas tej fazy był mały, nie większy niż 20 - 25 stopni. W fazie 2, która trwała tydzień sonda zajęła pozycję blisko terminatora, co pozwoliło na obserwacje w dużym kącie fazowym. W tym okresie pojazd nawigował samodzielnie z powodu dużego opóźnienia czasowego w komunikacji z Ziemią. Autonomiczny system nawigacyjny był jedną z testowanych technologii.
W dalszej kolejności dwa razy zmniejszano odległość od planetoidy. 15 września odległość została zredukowana do 17 km, a 19 września - do 15 km. 21 września odległość została ponownie zwiększona do 19.5 km. 26 września odległość ponownie zredukowano do 16 km. Następnie 30 września 2005 r statek zmniejszył odległość do obiektu do 6.8 km, i znalazł się w tzw. pozycji bazowej (Home Position - HP). Z niej prowadził obserwacje i pomiary o wysokiej rozdzielczości, pozwalające na wybór miejsca poboru próbek.
3 października nastąpiła awaria drugiego koła reakcyjnego, w osi Y. Odnotowano to o godzinie 08:08 UTC. Udało się jednak opracować metodę kontroli orientacji za pomocą ostatniego sprawnego koła reakcyjnego (w osi Z) oraz dwóch silników systemu kontroli orientacji przestrzennej. Opracowano też oszczędnościowy plan uruchomień silników, który pozwalał na zachowanie paliwa na okres powrotu na Ziemię. W dalszej kolejności, 1 listopada odległość sondy od planetoidy została zmniejszona do 4.4 kilometra.
Badania planetoidy zakończyły się pod koniec października 2005 roku. Na podstawie zebranych danych wybrano dwie strefy lądowań i przygotowano plan działań na listopad. Zaplanowano jedną próbę lądowania (Touchdown Rehearsal - TD-Rehearsal) na 4 listopada 2005 roku oraz dwa lądowania celem pobrania próbek (Touchdown - TD) - 12 i 25 listopada. Podczas wyboru stref lądowań kierowano się przede wszystkim bezpieczeństwem. Brane po uwagę obszary musiały być pozbawione przeszkód i dostatecznie gładkie. Podczas lądowania musiała być także dostępna łączność ze stacjami naziemnymi. Pierwszą strefą lądowania (Area A) stał się duży obszar pokryty regolitem w środkowej części planetoidy nazwany MUSES Sea. Drugą strefą (Area B) stał się płaski obszar nazwany Woomera Desert na wąskim końcu planetoidy.
Próba lądowania 4 listopada 2005 roku została odwołana przez kontrolerów. Celem tego testu było zweryfikowanie prawidłowego działania wysokościomierza laserowego LRF, który był niezbędny podczas właściwego lądowania. Kolejnymi celami były: zrzucenie na powierzchnię znacznika TM w celu upewnienia się, że po oświetleniu przez statek jest on widoczny na obrazach powierzchni planetoidy; oraz zrzucenie na powierzchnię łazika MINERVA. Miejscem wykonania próby był obszar Woomera Desert. Sonda rozpoczęła zejście 3 listopada o godzinie 19:17 UTC, gdy jej odległość od powierzchni wynosiła około 3.5 kilometra. O godzinie 23:15 UTC odległość do powierzchni wynosiła 1700 metrów. 4 listopada o 01:50 UTC odległość do powierzchni wynosiła 1 km. Do wysokości 700 metrów trajektoria i kontrola orientacji przestrzennej były wykonywane prawidłowo. O godzinie 02:40 UTC komputery systemu nawigacyjnego wykryły jednak nieprawidłowy sygnał. Najprawdopodobniej z powodu pozostawania w cieniu fragmentu planetoidy kamera nawigacyjna zaobserwowała w polu widzenia dwa pozorne obiekty, będące w rzeczywistości oświetlonymi przez Słońce fragmentami planetoidy. Z tego powodu próba została przerwana. Odpowiedni sygnał z Ziemi został wysłany 4 listopada o godzinie 03:30 UTC. Statek uruchomił swoje silniki chemiczne i wzniósł się na wysokość 3 kilometrów. Wszystkie systemy działały potem nominalnie. Pomimo anulowania próby uzyskano istotne informacje inżynoeryjne.
9 listopada wykonano zbliżenie pozwalające na wykonaniu testów systemu nawigacyjnego na wysokościach do kilkudziesięciu metrów. Odbyło się ono nad obszarem Woomera Desert. Sonda bez problemów zbliżyła się do powierzchni na odległość zaledwie 70 metrów nawigując za pomocą instrumentów ONC-W1 i LIDAR. Po wyryciu powierzchni przez sensor LRF ponownie wzbiła się na wysokość około 4 kilometrów. W czasie tego manewru na powierzchnię zrzucony został znacznik celu TM-1. Sonda wykonała zdjęcia powierzchni o wysokiej rozdzielczości do celów naukowych. Na zdjęciach nawigacyjnych było też widać cień sondy na powierzchni planetoidy. Po tym teście wyznaczono nowy plan działań - dodatkowy test lądowania połączony z uwolnieniem łazika MINERVA 12 listopada, oraz dwa lądowania połączone z pobieraniem próbek 19 i 25 listopada.
Analiza zdjęć uzyskanych podczas obu zbliżeń wykazała, że obszar Woomera Desert był pokryty zbyt dużą ilością głazów o wielkości ponad 1 metra. W związku z tym lądowanie w okręgu o promieniu 60 metrów określonym przez precyzję systemu nawigacyjnego nie było bezpieczne. Tak więc drugie lądowanie próbne oraz dwa lądowania właściwe postanowiono wykonać w obszarze MUSES Sea.
Drugi test lądowania rozpoczął się 11 listopada. O godzinie 18:00 UTC odległość sody od planetoidy wynosiła 1.4 km, a o godzinie 22:59 UTC - około 900 metrów. 12 listopada o godzinie 04:00 UTC odległość od środka planetoidy wyniosła 430 metrów. O 05:20 UTC odległość od powierzchni wynosiła 200 metrów, o 05:45 UTC - 120 metrów, a o 05:55 UTC - 100 metrów. O godzinie 06:24 UTC, na wysokości 55 metrów uwolniony został łazik MINERVA. Sonda natomiast ponownie rozpoczęła wznoszenie. O 07:10 UTC znajdowała się na wysokości 1 km. Zgodnie z planem testu łazik MINERVA powinien opaść na powierzchnię około 07:30 UTC z prędkością 5 centymetrów na sekundę. Niestety jednak mikrorobot ominął cel z prędkością większą od prędkości ucieczki (dla Itokawy wynosiła ona zaledwie około 20 cm/s), gdyż do odłączenia doszło już podczas manewru wznoszenia, na pułapie 200 metrów. Wznoszenie zostało wykonane w trybie automatycznym po uzyskaniu informacji z dalmierza LRF o bliskości powierzchni, a sygnał wysłano z Ziemi mniej więcej w tym samym czasie (czas do odrbrania sygnału wynosi 16 minut). MINERVA nadawała sygnały przez okres swej żywotności (2 dni), znajdując się na orbicie okołosłonecznej. Wykonała i przesłała obrazy pokazujące panele słoneczne. 25 listopada najprawdopodobniej wróciła w okolice planetoidy na skutek hamującego działania ciśnienia wiatru słonecznego.