Das Space Shuttle startete von Cape Canaveral (KSC). Die Landung musste auf der Edwards AFB, Runway 22 erfolgen. Der Start hatte sich um 14 Minuten aufgrund eines Kommunikationsproblems zwischen dem Kennedy Space Center und der Missionszentrale in Houston verzögert.

Die Hauptnutzlast, der Upper Atmosphere Research Satellite (UARS), wurde am dritten Flugtag ausgesetzt. Der 6,5-Tonnen-Satellit führte eine der detailliertesten Studien der Erdatmosphäre durch, inklusive der Ozonschicht. UARS war der erste große Satellit im Rahmen des Projekts "Mission zum Planeten Erde", das den Beitrag der NASA zum US Global Change Research Program darstellte. Seine Nutzungssdauer wurde im Laufe der Jahre immer wieder verlängert (vorgesehen waren ursprünglich 18 Monate), sodass er letztlich 14 Jahre im Dienst sein sollte.

Zum Aussetzen von UARS musste die Discovery eine um 57 Grad geneigte Umlaufbahn in 570 km Höhe erreichen, damit der Satellit auch die Polargebiete der Erde überblicken konnte. Das ging fast an die Kapazitätsgrenze des Space Shuttle, ein Grund, weshalb nur sehr wenig und leichte sekundäre Nutzlast mitgenommen werden konnte.

Am dritten Flugtag bereiteten sich Charles Gemar und James Buchli für einen Notfallausstieg vor, falls es beim Aussetzen von UARS Probleme geben sollte. Mark Brown ergriff währenddessen UARS mit dem Greifarm der Discovery. Danach wurden Funkverbindungen getestet und die Energieversorgung von UARS getestet. Wenige Minuten später hob Mark Brown den 6.500 kg schweren Satelliten langsam aus der Ladebucht heraus. In einem weiteren Schritt wurden Signale zum Ausfahren der Solarpaneele gesendet. Die sprangen wie ein Akkordeon sofort auf. Kleine Motoren übernahmen dann das endgültige Ausfahren der Solarzellenflächen. Probleme gab es dann aber beim Einstellen der Antenne auf die beiden TDRS-Datenrelaissatelliten. Schließlich gelang es der Besatzung nach mehreren Versuchen doch, den Kontakt mit den TDRS herzustellen. Dadurch verschob sich das eigentliche Aussetzen von UARS um 35 Minuten. Oliver Creighton schaltete alle Düsen ab und ließ die Discovery frei driften. In dieser Zeit gab Mark Brown den Satelliten frei. 90 Sekunden später zündete Oliver Creighton die RCS-Düsen, um sich vorsichtig von UARS zu entfernen. Einen Tag später wurde UARS mit drei Zündungen seiner bordeigenen Düsen in seine endgültige Umlaufbahn in 585 km gebracht.

Die nachfolgenden wissenschaftlichen Experimente wurden im weiteren Verlauf des Fluges ausgeführt:

Ascent Particle Monitor (APM); Middeck 0-Gravity Dynamics Experiment (MODE); Shuttle Activation Monitor (SAM); Cosmic Ray Effects and Activation Monitor (CREAM); Physiological and Anatomical Rodent Experiment (PARE); Protein Crystal Growth II-2 (PCG II-2); Investigations into Polymer Membrane Processing (IPMP) und das Air Force Maui Optical Site (AMOS) Experiment.

PCG: Das Experiment soll helfen, neue pharmazeutische Produkte den Kampf gegen Krebs, Immunschwächen, rheumatische Arthritis und viele andere Krankheiten zu verbessern.

CREAM & SAM: Diese beiden Experimente sollten Daten über Energieverlust-Spektren von kosmischen Strahlen (insbesondere Gamma-Strahlen bei SAM), Neutronenströme und induzierte Radioaktivität sammeln.

RNE: Dieses Experiment sollte die Strahlungsverteilung innerhalb der Shuttle-Kabine messen. Die NASA möchte wissen, welcher Dosis die Astronauten selbst ausgesetzt sind.

IPMP: Bei diesem Versuch geht es darum, die physikalischen und chemischen Prozesse zu untersuchen, die bei der Bildung von Polymer-Membranen unter Schwerelosigkeit auftreten. Diese Erkenntnisse sollen dann helfen, die kommerzielle Produktion auf der Erde zu verbessern.

PARE: Bei diesem Versuch soll an acht Ratten die Gewöhnung an die Schwerelosigkeit im Hinblick auf die Physiologie und die Entwicklung untersucht werden. Dabei stehen insbesondere die Muskeln im Vordergrund. Die Ergebnisse sollen Astronauten bei Langzeitflügen und Krankenhauspatienten mit langer Liegezeit im Bett zugutekommen.

MODE: Dieses Experiment sollte das mechanische Verhalten von Flüssigkeiten in Raumschiffen untersuchen. Ziel war die Erstellung besserer Computermodelle, die das Verhalten von komplexen Strukturen im Weltraum genauer vorhersagen können.

Während des Fluges wurde die Durchführung eines sogenannten "COLA"-Manövers erforderlich, um der Oberstufe des sowjetischen Spionagesatelliten Kosmos 955 auszuweichen, der am 20. September 1977 gestartet worden war.

Die Landung war ursprünglich im Kennedy Space Center vorgesehen, aber wegen Schlechtwetters zur Edwards AFB verlegt worden.