Die Challenger hob mit ihrer sieben Mann starken Besatzung von Cape Canaveral (KSC) ab. Nach etwa sieben Tag Flugzeit landete das Space Shuttle auf der Edwards AFB. Wegen eines technischen Problems in der automatischen Startsequenz erfolgte der Start der Mission STS-51B mit einer Verspätung von zwei Minuten und 18 Sekunden.

Bei dieser Mission wurde zum zweiten Mal das Spacelab eingesetzt, jedoch war es der erste Einsatz mit einem vollständig ausgerüsteten Spacelab. Die Bandbreite des Spacelabs konnte somit eindrucksvoll demonstriert werden.

Um die Zeit im Spacelab optimal nutzen zu können, wurde die Mannschaft in zwei Schichten aufgeteilt, die jeweils 12 Stunden arbeitete. Das Gold-Team bestand aus Robert Overmyer, Don Lind, William Thornton und Taylor Wang. Zum Silber-Team gehörten Frederick Gregory, Norman Thagard und Lodewijk van den Berg.
Nach Erreichen der Umlaufbahn konnte mit der Aktivierung der Experimente mit dem wissenschaftlichen Programm von "Spacelab-3" - so die offizielle Bezeichnung - begonnen werden.

Eine der ersten Aktivitäten der Mannschaft bestand darin, die beiden in den GAS-Kanistern untergebrachten Subsatelliten in den freien Weltraum auszusetzen. Ursprünglich war dies erst für den sechsten Flugtag vorgesehen, jedoch befürchteten die beteiligten Wissenschaftler eine Beeinträchtigung der Batterien, wenn diese über einen so langen Zeitraum der Kälte des Weltraums ausgesetzt wären. So wurde NUSAT gut vier Stunden nach dem Start aus dem GAS-Container in den Weltraum entlassen. Ein weiterer Satellit (GLOMR = Global Low Orbiting Message Relay Satellite) konnte dagegen nicht ausgesetzt werden und wurde wieder mit zur Erde zurückgenommen.

Insgesamt 15 astrobiologische, astro- und geophysikalische, biologische und Werkstoff-Experimente wurden durchgeführt. Darunter waren auch Versuche zur Kristall-Züchtung und Flüssigkeits-Physik.

Primäres Ziel der drei materialwissenschaftlichen Experimente war die Gewinnung möglichst reiner Kristalle. Auf der Erde lassen sich Kristalle nur in begrenzter Größe und in weniger reiner Struktur herstellen. Im "Fluid Experiment System" sollten u.a. Sulfat-Kristalle gezüchtet werden, die bei Infrarotdetektoren ihre Verwendung finden. Weitere Züchtungen zielten auf die Gewinnung von Kristallen ab, die bei Gamma- und Röntgenstrahlen-Detektoren eingesetzt werden. Das Anwendungsgebiet liegt im medizinischen Bereich. In einem französischen Experiment ging es um die Herstellung von Saat-Kristallen. Dabei handelt es sich um Materiekerne, aus denen ein Kristall wächst.

Sechs Experimente aus dem Bereich der Lebenswissenschaften waren ebenso an Bord der Challenger. Vier Affen und 24 Ratten waren beim Flug von STS-51B mit an Bord. Untergebracht waren sie in individuellen Käfigen. Für die Fütterung der Tiere und die Entsorgung der Fäkalien waren automatische Systeme installiert worden. William Thornton und Norman Thagard beobachteten und dokumentierten deren Verhalten bei der Anpassung an die Schwerelosigkeit. Vorrangig war aber der Nachweis, dass die Gerätschaften zur Haltung von Tieren in der Schwerelosigkeit geeignet waren. Hier zeigten sich z.B. bei verunreinigter Nahrung Defizite. Untersucht wurde auch die sogenannte Weltraumkrankheit beim Menschen. Die Auswirkungen sollten durch tiefe Atemzüge (Biofeedback Training) abgemildert werden. Zur Kontrolle trugen einige Besatzungsmitglieder Elektroden am Körper. Ein anderes Experiment zeichnete die abgegebene Urinmenge in Relation zur Wasseraufnahme durch die Astronauten auf. Hierbei sollten Veränderungen im Flüssigkeitshaushalt der Astronauten unter Schwerelosigkeit untersucht werden.

Spacelab-3 führte vier Experimente aus dem Bereich der Astronomie und der Erdbeobachtung mit. Das ATMOS-Experiment ("Atmospheric Trace Molecules Spectroscopy") untersuchte die Zusammensetzung der äußeren Schichten der irdischen Atmosphäre und damit auch die Lebensumwelt des Menschen. Ein Interferometer wurde für Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen benutzt. Der Infrarotdetektor sollte die Sonne durch die Lufthülle immer dann anpeilen, wenn diese über dem Horizont auftauchte. Ein weiteres Experiment war ein Ionendetektor. Mit ihm wurde die Messung der Intensität des Ionenflusses verschiedener kosmischer Quellen aufgezeichnet. Die "Very Wide Field Camera" (VWFC) nahm Himmelsobjekte wie z.B. Galaxien im ultravioletten Licht auf. Bei einem anderen Experiment wurden die Nordlichter erforscht und fotografisch dokumentiert.

Der "Northern Utah Satellit" (NUSAT) war etwa 52 kg schwer und war für die Kalibrierung der Flugüberwachung in den USA und einigen anderen Ländern gedacht. Der Subsatellit sollte zur Erhöhung der Sicherheit in der zivilen Luftraumüberwachung beitragen. GLOMR war ein Datenrelais- und Kommunikationssatellit. Seine Hauptaufgabe bestand in der Aufnahme, Speicherung und Weitergabe von digitalen Datenströmen. Das US-Verteidigungsministerium wollte GLOMR als Relaisstation für die Weiterleitung von aufgezeichneten Sensormeldungen an Kampfbomber nutzen.

Die beiden Nutzlastspezialisten Taylor Wang und Lodewijk van den Berg standen u.a. für Untersuchungen bereit, die prüfen sollten, ob autogenes Training und andere Konzentrationsübungen (Biofeedback) hilfreich sind, die Weltraumkrankheit zu bekämpfen.