Die zweite Shuttle-Mission startete von Cape Canaveral (KSC). Die Columbia landete auf der Edwards AFB, Runway 23.

Die Mission war der zweite Testflug des Space Shuttle. Ein erster Startversuch musste wegen technischer Probleme und schlechten Wetters abgebrochen werden.

Etwa 2 Stunden und 35 Minuten nach dem Start trat ein Problem auf, das den weiteren Verlauf der Mission stark beeinträchtigte. In einer der drei Brennstoffzellen, die Strom und Trinkwasser produzieren, wurde ein Leck festgestellt. Dies führte zu einer Verunreinigung des Wassers und zu einer entsprechend kürzeren Nutzungsdauer. Da eine Explosion der Brennstoffzelle nicht völlig auszuschließen war, wurde sie ganz abgeschaltet. Dadurch standen für den weiteren Flug nur noch zwei Brennstoffzellen zur Verfügung. Um kein Risiko einzugehen, wurde die Mission auf einen Mindestflug - in diesem Fall von zwei Tagen - gekürzt. Der Mindestflug wird von der NASA immer dann angeordnet, wenn ein erhebliches technisches Problem vorliegt, das mittelfristig die Sicherheit des Orbiters beeinträchtigen könnte. Dennoch wurden 90% der vorgesehen Forschungsarbeiten durchgeführt.

Trotz des Problems aktivierte Richard Truly den Greifarm und die Experimente auf der OSTA-1 Palette. Damit sollten noch so viele Daten wie möglich gesammelt werden.

Zahlreiche wissenschaftliche Experimente u.a. mit dem "Shuttle Imaging Radar" zur Abtastung der Erdoberfläche mit Mikrowellen wurden durchgeführt. Ebenso wurde der Remote Manipulator Arm (RMS) einem ersten Test unterzogen. Außerordentlich erfolgreich war das Erdbeobachtungsexperiment OSTA-1 (Office of Space and Terrestical Applications-1), das in der Payload-Bucht untergebracht war. Hierauf waren fünf Erdbeobachtungsexperimente montiert:

Das Shuttle Imaging Radar-A (SIR-A) war das wichtigste Experiment von OSTA-1. Es sendete und empfing Mikrowellen um kartenähnliche Bilder des Erdbodens zu erstellen. Da das Radar seine eigenen Energiequellen nutzt, ist es unabhängig von Tag/Nacht Wechseln sowie Wolken und Vegetation. Man erhoffte sich mit der Technologie besser Öl- und andere Minerallagerstätten zu lokalisieren. SIR-A konnte für acht Stunden Bilder mit einer Auflösung von 40 Metern erzielen. Die Ziele beschränkten sich vornehmlich auf die Vereinigten Staaten.
Das Shuttle Multispectral Infrared Radiometer (SMIRR) unterstützte SIR-A indem es die besten Spektralbänder suchte, die bei der Erkundung von Gesteinsarten hilfreich sein könnten. Dazu wurde ein Infrarotradiometer verwendet.
Mit dem Feature Identification and Location Experiment (FILE) sollten Techniken gefunden werden, die Erdbeobachtungsexperimente effizienter machen, indem man die Geräte nur dann aktiviert, wenn die Bedingungen ausreichend sind, um Daten zu sammeln. Durch die verschiedenen Stufen von Helligkeit versuchte das Experiment zwischen Vegetation, kahlem Boden, Wasser, Schnee oder Niederschlag zu unterscheiden.
Bei dem Measurement of Air Pollution From Satellites (MAPS) genannten Versuch wurde die Verschmutzung der mittleren und oberen Atmosphärenschichten durch von Satelliten stammendem Kohlenmonoxid gemessen.
Das Ocean Color Experiment (OCE) sollte durch die Entdeckung von Algen Fischschulen sowie Meeresverschmutzungen ausfindig machen. Das Experiment wurde vornehmlich über dem östlichen Pazifik und Atlantik verwendet.

Etwa 31 Stunden nach dem Start musste Joe Engle eine unvorhergesehene Reparatur vornehmen. Er tauschte einen Anzeigemonitor der vorderen Armatur gegen ein Gerät aus dem hinteren Flugdeck aus. Obwohl dies nicht trainiert worden war, brauchte Joe Engle weniger als eineinhalb Stunden für diese Arbeit.

Auch nach ihrem zweiten Raumflug zeigte sich die Columbia in gutem Zustand. Die Haupttriebwerke waren in Ordnung und die Hitzeschutzkacheln zeigten nur wenig Beanspruchung. Keine Kachel war verloren gegangen, 11 waren locker und nur 70 Kacheln wiesen Beschädigungen auf.