Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC).

Erstmals 7 Astronauten an Bord eines Shuttle und erstmals zwei Frauen gleichzeitig im All. Sullivan wurde darüber hinaus erste amerikanische Astronautin, die eine EVA unternimmt.

Aussetzen des US-Sonnenbeobachtungssatelliten ERBS (Earth Radiation Budget Satellite) am ersten Flugtag. Durch Zündung eigener Antriebsraketen wurde dann der Satellit auf einen Orbit von 563 km über der Erde gebracht. ERBS ist der erste von drei geplanten Satelliten, die entwickelt wurden um die Menge an Energie zu messen, die die Erde von der Sonne erhält und ins All zurückgibt. Außerdem sollen die saisonalen Bewegungen von Energie von den Tropen zu den Polarregionen genauer untersucht werden.

Teile des Orbital Refueling System (ORS) wurden miteinander während einer EVA von Sullivan und Leestma am 11.10.1984 (3h 30m) verbunden. Damit wurde demonstriert, dass es möglich ist, Satelliten im All zu betanken.

Zu den weiteren Aufgaben gehörte die wissenschaftliche Erdbeobachtung mit dem Office of Space and Terrestrial Apllications-3 (OSTA-3) Pallet und der Large Format Camera (LFC) sowie Experimente auf den Gebieten Biologie und Physik. Andere Payloads waren: IMAX Camera, die zum dritten Mal zum Einsatz kam, das kanadische CANEX-Programm, das Auroral Photography Experiment (APE), das Radiation Monitoring Equipment (RME), der Thermoluminiscent Dosimeter (TLD) und acht Get Away Specials. Der während der Mission erstellte Film (einschließlich der EVA von Sullivan und Leestma) wurde später als IMAX-Film mit dem Titel "The Dream is Alive" in den Kinos gezeigt.

Garneau, der erste Kanadier im All, arbeitete an Experimenten, die von der kanadische Regierung finanziert und unter dem Namen CANEX geführt wurden, auf den Gebieten medizinische, atmosphärische, klimatische, Material- und Computerwissenschaften.

Das sowjetische Terra-3 Laser Test Zentrum nahm die Challenger am 10. Oktober 1984 mit einem schwachen Laser "unter Beschuss". Das führte allerdings zu einem Ausfall einiger Bordsysteme und blendete auch die Crew an Bord. Die USA legten daraufhin einen diplomatischen Protest gegen dieses Vorgehen ein.