STS-3 hob von Cape Canaveral (KSC) ab. Die Landung erfolgte in White Sands, Runway 17, Northrup Strip. Der Start war wegen technischer Probleme um eine Stunde verschoben worden. Ein Schalter hatte nicht richtig funktioniert und musste repariert werden.

Die Mission war der dritte Testflug des Space Shuttle. Erstmalig (und auf Dauer) wurde der Außentank nicht weiß lackiert, wie bei den ersten Missionen. Damit wurde eine Reduzierung des Startgewichtes erreicht.

Im Frachtraum der Columbia befanden sich zwei Experimente-Plattformen und ein GAS-Kanister. Direkt am hinteren Ende des Frachtraumes war die "Development Flight Instrumentation Pallet" (DFI) angeordnet. Darauf war der größte Teil der Experimente angebracht, die das Verhalten des Orbiter-Systems während des Fluges erforschten.

Auch die Geräteplattform OSS-1 befand sich im Laderaum der Columbia. Das waren acht Experimente des "Office of Space Science" der NASA. Die OSS-1-Experimente dienten der Untersuchung der physikalischen und chemischen Verhältnisse im Frachtraum und in der Umgebung des Orbiters. Hierbei handelte es sich um nachfolgende Experimente:

"Contamination Monitor Package" (CMP): Damit sollte die Bildung von molekularen und gasförmigen Verschmutzungen im Bereich des Shuttle untersucht werden. Neben dem normalen Ausgasen kommt es z.B. durch Triebwerksfeuerungen oder Ablassen von Brauchwasser zu kontaminierten Bereichen um eine Raumfähre. Diese Verunreinigungen können empfindliche Sensoren wissenschaftlicher Instrumente erheblich beeinträchtigen.

"Microabrasion Foil Experiment" (MFE): Damit sollten Anzahl, chemische Zusammensetzung und Dichte von Mikrometeoriten, die die Raumfahre treffen, erforscht werden.

"Plasma Diagnostics Package" (PDP): Bei diesem Experiment ermittelten zahlreiche Sensoren die Wechselwirkungen zwischen dem Orbiter und der ihn umgebenden elektromagnetischen Felder.

"Shuttle-Spacelab Induced Atmosphere Experiment" (SSIA): Damit wurde untersucht, in welchem Maße vom Orbiter emittierte Staubpartikel und Gasteilchen eine Art "Atmosphäre" rund um das Shuttle bilden.

"Solar Flare X-Ray Polarimeter" (SFXP): Mit diesem Instrument konnten die von der Sonne abgegebene Röntgenstrahlung gemessen werden. Es ging um ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse bei starken Strahlungsausbrüchen der Sonne.

"Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor" (SUSIM): Zwei unabhängige Spektrometer ermittelten in einem großen Wellenlängenbereich die von der Sonne ausgehende Ultraviolettstrahlung.

"Thermal Canister Experiment" (TCE): Mit diesem Experiment sollte ein Weg gefunden werden, wie Instrumente und wissenschaftliche Versuchsanordnungen vor den extremen Temperaturunterschieden im All geschützt werden können.

"Vehicle Charging and Potential Experiment" (VCAP): Mit diesem Experiment wurde die elektrische Gesamtcharakteristik des Space Shuttle bestimmt. Hierzu gehören auch die Wechselwirkungen mit der natürlichen Plasma-Umgebung in der Ionosphäre.

Erstmalig an Bord einer Raumfähre war ein sogenannter GAS-Kanister. In diesem Kanister haben z.B. Industrie, Universitäten, ausländische Regierungen und sogar Privatpersonen die Möglichkeit, kleinere Nutzlasten kostengünstig in eine Erdumlaufbahn bringen zu lassen.

Weitere Experimente an Bord waren u.a. der "Monodisperse Latex Reactor" (MLR), der "Heflex Bioengineering Test" (HBT) und die "Plant Growth Unit" (PGU).

Am zweiten Flugtag wurde der Greifarm der Columbia (RMS) erstmals aktiviert und aus seinen Halterungen gehoben. Es folgte zwar eine Reihe von Tests, jedoch wurde noch keine Nutzlast bewegt. Erst am 25. März 1982 ergriff der End Effector des Greifarms zum ersten Mal eine Nutzlast. Es handelte sich um das "Plasma Diagnostics Package". In den nächsten Stunden schwenkten die Astronauten das PDP sowohl innerhalb als auch außerhalb des Frachtraums hin und her.

An Bord der Columbia befanden sich auch zahlreiche Honigbienen (Drohnen) und Motten, deren Verhalten in der Schwerelosigkeit untersucht werden sollte. Während die Honigbienen apathisch in Klumpen zusammenhockten, flatterten die Motten unbeeindruckt durch die Schwerelosigkeit in ihrem Glasbehälter umher.

Auch beim dritten Flug der Columbia traten verschiedene Probleme auf. Eine ganze Reihe von Kacheln war während des Starts abgefallen. Glücklicherweise fehlten die Kacheln an thermisch weniger kritischen Stellen, sodass eine Gefahr beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre nicht bestand. Durch einen nicht funktionierenden Thermostat konnte die Temperaturverteilung in der Kabine nicht richtig eingestellt werden. Bei der neuen Bordtoilette sprang die Sicherung immer wieder heraus. Schuld war offenbar ein verklemmter Abfallbeutel. Das Headset, das Jack Lousma während der Nachtstunden trug, gab knatternde Geräusche von sich. Der Grund dafür waren Interferenzen von einer leistungsstarken sowjetischen Radarstation. Letztlich traten Datenkommunikationsprobleme auf, sodass schließlich nur noch eine S-Band-Verbindung bestand. Das bedeutete den Verlust von drei Viertel der Datenverbindungen vom Orbiter zur Bodenstation.

Wegen Regenwetter wurde die Landung von der Edwards AFB nach White Sands verlegt. Wegen starker Winde über White Sands musste die Missionsdauer zusätzlich um einen Tag verlängert werden. Es war dies die einzige Landung eines Space Shuttle auf White Sands.