Das neue Space Shuttle Discovery startete von Cape Canaveral (KSC). STS-41D kehrte auf der Edwards AFB, Runway 17 zur Erde zurück.

STS-41D war die erste Mission mit dem Orbiter "Discovery". Damit hatte die NASA drei flugfähige Raumgleiter zur Verfügung. Die Discovery war erst am 09. November 1983 im Kennedy Space Center angekommen.

Der ursprüngliche Starttermin musste zweimal wegen technischer Defekte verschoben werden. Beim zweiten Startversuch zündeten die drei Haupttriebwerke der Discovery, jedoch schaltete der Computer die Triebwerke bei T-4 Sekunden wieder ab. Ein Ventil des Triebwerks Nr. 3 hatte sich nicht schnell genug geöffnet. Da die Ursache auf der Startrampe nicht zu ermitteln war, wurde ein Rollback zum VAB erforderlich, damit ein neues Haupttriebwerk eingebaut werden konnte. Dies bedeutete eine mehrwöchige Verschiebung des Starts. Unmittelbare Konsequenz daraus war, dass STS-41D mit der anschließenden Discovery-Mission STS-41F zusammengelegt wurde. Nach den hierfür erforderlichen Tests der PAM-D-Oberstufe, die bei STS-41B zweimal versagt hatte, wurde ein neuer Starttermin Ende August 1984 geplant.

Bei dieser Mission sollten gleich drei Nachrichtensatelliten SBS-D (USA), Telstar 3-C (USA) und Syncom IV-2/Leasat 2 (US Navy) in eine Erdumlaufbahn ausgesetzt werden. Als weiterer Aufgabenschwerpunkt waren Tests mit einem ausfahrbaren Sonnensegel ("Solar Array Experiment") geplant.

Die erste Aufgabe der Besatzung nach dem Start war das Aussetzen von SBS-D. Nach den üblichen Checks wurde der Sonnenschutz der Haltevorrichtung im Frachtraum geöffnet und der Satellit in eine Längsachsenrotation von 50 Umdrehungen pro Minute gebracht. Danach wurden per Knopfdruck die vorgespannten Federn freigegeben, sodass SBS-D langsam den Frachtraum verließ. In einem weiteren Schritt wurde die Discovery in eine sichere Entfernung gebracht und mit der Unterseite in Richtung Satellit gedreht, um den Orbiter vor Verunreinigungen durch Triebwerksabgase zu schützen. Die PAM-D-Oberstufe zündete erfolgreich und der Nachrichtensatellit befand sich auf dem Weg zum geostationären Orbit.

Am nächsten Flugtag stand das Aussetzen von Syncom IV-2/Leasat 2 an. Dieser für das Space Shuttle entwickelte Nachrichtensatellit war direkt in die Nutzlastbucht montiert und das obere Ende zeigte in Richtung Orbiterspitze. Er lag also um 90 Grad verdreht in der Ladebucht. Zum Aussetzen wurde Syncom IV-2/Leasat 2 durch Sprungfedern aus der Ladebucht geschleudert und dabei in Rotation versetzt. Kurz vor dem Aussetzen gab es noch Probleme mit der Temperatur der Batterien. Da diese sich aber stabilisierte, konnten Steven Hawley und Michael Mullane per Knopfdruck den Start des Trabanten freigeben. Die Astronauten beobachteten das Ausfahren der Antenne und die Funktion der Steuerdüsen, die die Rotation weiter erhöhten. Eine halbe Stunde später zündete der satelliteneigene Motor für 59 Sekunden und brachte Syncom IV-2/Leasat 2 auf die geplante Umlaufbahn.

Einen weiteren Tag später wurde Telstar 3-C auf die Reise geschickt. Wie bei SBS-D wurde er in seiner Halterung in Rotation versetzt, ehe er ausgesetzt wurde. Wieder wurde die Discovery in eine sichere Entfernung gebracht und mit der Unterseite zu Telstar 3-C gedreht. Etwa 45 Minuten nach dem Abflug des Nachrichtensatelliten zündete dessen PAM-D-Oberstufe problemlos und leitete den Weg zum geostationären Orbit ein.

Der nächste Programmpunkt war das auf OAST-1 montierte "Solar Array Experiment". Hierbei handelte es sich um eine bis auf 31 Meter Länge ausfahrbare Solarzellenfläche. Ziel des Experimentes war es, das Verhalten eines solchen Sonnensegels im Weltraum zu testen. In mehreren Versuchen wurde die Fläche von Judith Resnik auf unterschiedliche Längen ausgerollt und wieder eingefahren. Die Lamellen entfalteten sich bis auf wenige, die aneinander zu kleben schienen, einzeln. Selbst als die Discovery Steuerdüsen zündete, gab es nur geringe Schwingungen. Es war die bislang größte Struktur, die überhaupt mit einem bemannten Raumschiff ins All gebracht wurde und bewies, dass dies möglich war. Das Experiment war erforderlich, um zukünftig größere Apparaturen z.B. für eine Raumstation ins All bringen zu können.

Charles Walker war der erste Nutzlastspezialist, dessen Mitflug von einer Firma (McDonnell Douglas) bezahlt wurde. Er beschäftigte sich mit dem "Continuous Flow Electrophoresis System" (CFES). Mit diesem Gerät sollte er ein geheim gehaltenes Hormon produzieren, das in klinischen Tests eingesetzt werden sollte. CFES trennt Stoffe voneinander, die in einer Flüssigkeit vorliegen, welches einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Während dieses Prozesses wird ein kontinuierlicher Strom einer biologischen Substanz in eine Katalysatorflüssigkeit injiziert, die dann zusammen durch eine Kammer fließen. Durch Verunreinigungen war der erzeugte Stoff später jedoch nicht für Tierversuche zu gebrauchen. Schon während des Fluges erhielt er die Zusage, bei STS-51D wieder mitfliegen zu dürfen.

Die IMAX-Kamera aus der letzten Mission flog ebenfalls wieder mit. Weitere Experimente betrafen die Messung der Hintergrundstrahlung, die fotografische Dokumentation von Wolkenstrukturen sowie Untersuchungen zum sogenannten "Shuttle-Glühen".

Am Abend des vierten Flugtages entdeckte die Besatzung Eiszapfen an den Ablassventilen der Toilettenanlage. Diese befinden sich auf der linken Seite des Orbiters etwa 25 cm oberhalb der Tragfläche. An einem der Ventile konnte ein etwa 50 cm langer und etwa 9 kg schwerer Eiszapfen beobachtet werden. Das Eis hätte bei der Rückkehr zur Erde eine Gefahr für den Orbiter bedeuten können, falls ein solcher Zapfen eines der Triebwerke trifft. Die Besatzung wurde daher angewiesen, keine Abwässer mehr in den Weltraum zu pumpen, sondern diese wie zu Apollozeiten in Plastiktüten zu sammeln. Zeitweise wurde eine außerplanmäßige EVA durch Steven Hawley und Michael Mullane erwogen. Dieser Einsatz war nicht mehr erforderlich, nachdem Henry Hartsfield durch den Greifarm mit Unterstützung von Judith Resnik den Eiszapfen bis auf einen Rest, der später in der Sonne weggeschmolzen wurde, abschlagen konnte.