Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC). Eigentlich sollte der Start am 23. März 1992 durchgeführt werden. Eine während der Betankung aufgetretene überhöhte Treibstoffkonzentration (Flüssigwasserstoff und -sauerstoff) im Orbiterheck erzwang eine 24-stündige Startverschiebung.

Die Mission beförderte das erste Atmospheric Laboratory for Applications and Science (ATLAS-01 - Erdumwelt- und Atmosphärenforschungslabor) auf zwei Spacelab-Paletten in der Ladebucht des Shuttles. Die in der Nutzlastbucht installierte Ladung bestand aus zwölf Instrumenten aus den USA, Frankreich, Deutschland, Belgien, der Schweiz, den Niederlanden und Japan. Es wurden Studien in den Bereichen Atmosphärenchemie, Sonneneinstrahlung, Plasmaphysik und Ultraviolettastronomie durchgeführt. Weitere Forschungsprojekte waren unter anderem das Shuttle Solar Backscatter Ultraviolet Experiment (SSBUV) und das Get Away Special Experiment (GAS). Wie bei früheren Spacelab-Missionen gab es wieder ein Rotes Team (David Leestma, Michael Foale und Byron Lichtenberg) und ein Blaues Team (Charles Bolden, Brian Duffy, Kathryn Sullivan und Dirk Frimout), das sich die anfallenden Arbeiten im Schichtbetrieb teilte.

Charles Bolden und Brian Duffy mussten während dieser Mission mehr als 250 Manöver fliegen, um die Atlantis für die ATLAS-Experimente in die jeweils richtige Position zu bringen. Um alle Experimente durchführen zu können, wurde der Flug um einen Tag verlängert.