Start von Cape Canaveral (KSC); Landung 370 km südwestlich von San Diego im Pazifik.

Skylab 3 hob am 28. Juli 1973 ab und erreichte wenige Minuten später die Erdumlaufbahn. Etwa acht Stunden später erreichten sie die Raumstation, die etwa einen Monat unbemannt geblieben war.

Das Raumschiff brachte die zweite Besatzung zur Raumstation Skylab. In den ersten Tagen litten alle drei Astronauten unter der Raumkrankheit. Dies war verwunderlich, denn keiner der drei hatte sich bei Untersuchungen als anfällig herausgestellt. Zwar waren bei früheren Apollo-Flügen immer wieder einzelne Astronauten von der Raumkrankheit befallen worden, niemals aber eine komplette Mannschaft. Zeitweise lag Skylab 3 einen ganzen Tag hinter dem Plan, doch sowie sich ihr Gesundheitszustand besserte, holten die Astronauten den Rückstand rasch wieder auf.

Am 02. August 1973 zeichnete sich ein Problem mit den Steuerdüsen (RCS Quads) des Apollo-Raumschiffs ab. Schon am Starttag war eines der vier Düsenquartette ausgefallen, und nun leckte ein zweites. Zwar war es möglich, auch mit nur zwei funktionierenden Quads zur Erde zurückzukehren, doch war nicht sicher, ob die beiden Ausfälle zusammenhingen, und auch die zwei verbleibenden Düsen betroffen wären. Sicherheitshalber begann man in Cape Canaveral mit den Vorbereitungen für einen Rettungsflug. Hierzu waren schon vor mehreren Jahren Pläne mit der Bezeichnung Skylab Rescue ausgearbeitet worden.

Es war geplant, dass die Ersatzleute Vance Brand und Don Lind mit dem für Skylab 4 vorgesehen Raumschiff starten würden. Allerdings hätte man es so modifiziert, dass statt der üblichen drei sogar fünf Besatzungsmitglieder Platz hatten. Vance Brand und Don Lind hätten am zweiten Kopplungsadapter angedockt, so dass Alan Bean, Jack Lousma und Owen Garriott hätten zusteigen können. Je nach dem Zeitpunkt des Notfalls betrug die Vorlaufzeit dieses Rettungsfluges 10 bis 45 Tage. In diesem Fall hätte ein Apollo-Raumschiff frühestens am 09. September 1973 starten können. Hätte man diese Möglichkeit nicht vorgesehen, wäre die Mission aus Sicherheitsgründen sofort abgebrochen worden. Doch auf diese Weise stand man nicht unter Zeitdruck und konnte das Problem in Ruhe analysieren. Es stellte sich heraus, dass die Ausfälle der Apollo-Steuerdüsen nicht miteinander zusammenhingen, so dass der Verlauf von Skylab 3 nicht gefährdet war.

Es wurden wissenschaftliche Arbeiten u.a. mit einem "Düsenstuhl" unternommen. Weitere Schwerpunkte waren die Sonnenbeobachtung und medizinische Forschungen. Außerdem erfolgte die Beobachtung des Verhaltens von Kleintieren (Spinnen und Fische) in der Schwerelosigkeit.

EVAs erfolgten durch Owen Garriott und Jack Lousma am 06. August 1973 (6h 31m), Owen Garriott und Jack Lousma am 24. August 1973 (4h 30m), Alan Bean und Owen Garriott am 22. September 1973 (2h 41m). Dabei wurden Reparaturarbeiten an der Raumstation (Sonnenschutzschild angebracht) durchgeführt und Filmmaterial geborgen.

Die Besatzung war bei der Landung in wesentlich besserer Verfassung als die Skylab 2-Mannschaft. Kapsel und Besatzung wurden vom Flugzeugträger USS New Orleans geborgen. Gleichzeitig wurde ein neuer Dauerflug-Rekord aufgestellt.