Start von Cape Canaveral (KSC) und Landung auf der Edwards AFB, Runway 22.

Dies war die letzte Militärmission eines Space Shuttle. Die Hauptnutzlast war geheim und wurde sechs Stunden nach dem Start ausgesetzt. Vermutlich handelte es sich um einen Spionagesatelliten vom Typ KH (Keyhole), wie er auch schon während der Mission STS-28 ausgesetzt wurde. Die Masse der als DoD-1 bezeichneten Fracht wurde mit 10,5 Tonnen angegeben. Die ursprüngliche Bahnhöhe von 370 Kilometern wurde nach dem Start von DoD-1 um 45 Kilometer gesenkt.

In einer Höhe von 325 Kilometern sollte am 04. Dezember 1992 eine weitere Fracht ausgesetzt werden. Die ODERACS-Nutzlast (Orbital DEbris RAdar Calibration Spheres) bestand aus sechs Metallkugeln unterschiedlicher Größe: je zwei fünf-Zentimeter-, zehn-Zentimeter- und 15-Zentimeter-Kugeln. Letztere bestanden aus Aluminium, die anderen vier aus Stahl. ODERACS sollte als Ziel zur Eichung von Radarstationen und optischen Bodenteleskopen dienen, die die Dichte des Weltraummülls ermitteln. Auch die deutsche FGAN-Radarstation in Wachtberg sollte sich beteiligen. Die Kugeln waren in einem Zylinder im vorderen Backbordbereich der Nutzlastbucht untergebracht. Missionsspezialist Michael Clifford sollte vom Cockpit aus den Deckel des Zylinders öffnen und die ODERACS-Kugeln per Federkraft ausstoßen. Weil die Batterie versagte, schlug das Experiment fehl. Von Batterieproblemen waren auch zwei andere Experimente betroffen.

Das zu den Secondary Payloads gehörende BLAST-Experiment konnte wegen nicht einsatzbereiter Batterien die vorgesehenen Beobachtungen nicht durchführen. Auch das HERCULES-Experiment litt teilweise an den Batterieproblemen an Bord der Discovery. Obwohl es eigene Batterien hatte, konnte z.B. die Beobachtung von Libyen nicht durchgeführt werden, weil die Batterien kurz vorher leer wurden. Der Austausch dauerte dann so lange, dass das Beobachtungsziel inzwischen außer Reichweite war.

BLAST ("Battlefield Laser Acquisition Sensor Test"): Ziel des Experiments war es, dass ein an Bord eines Raumschiffs oder Satelliten befindlicher Laserempfänger in der Lage ist, Signale eines sichtbaren Lasers, die von verschiedenen Orten der Erde ausgestrahlt werden, entdecken kann. In einem der beiden Fenster, die sich im "Dach" des Flugdecks befinden, war ein Laserempfänger installiert, der die Signale aufnehmen, bearbeiten und sofort anzeigen sollte. Die Ergebnisse dieses Experimentes sollten für den Bau eines Sensors für das DoD verwendet werden.

CLOUDS ("Cloud Logic to Optimize Use of Defence Systems"): Ziel dieses Experiments war es, mit einer normalen Nikon-Kamera Wolkenformation immer wieder zu fotografieren, während sich das Shuttle immer weiter vom Ziel entfernt. Dadurch erhält man Aufnahmen von Wolkenformationen unter verschiedenen Sichtwinkeln. Die Daten des Versuchs wurden in einer Datenbank für hochauflösende Bilder gespeichert und den Meteorologen und des Satelliten DMSP ("Defense Meterological Satellite Program") zur Verfügung gestellt. Ziel dieser Tests war die Entwicklung eines entsprechenden Sensors.

CREAM ("Cosmic Radiation Effects and Activation Monitor"): Das CREAM-Experiment sammelte Daten über die kosmische Strahlung, den Neutronenfluss und die induzierte Radioaktivität.

FARE ("Fluid Acquisition and Resupply Equipment"): Ziel der Untersuchung ist die Dynamik von Flüssigkeitsübertragungen in der Schwerelosigkeit. Um Tanks von Raumfahrzeugen in einer Umlaufbahn wieder aufzutanken, müssen Methoden zur Übertragung von gaslosen Treibstoffen oder Flüssigkeiten entwickelt werden. An Bord der Discovery wurden unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten getestet, um herauszufinden, wie sich die Flüssigkeit bei der Übertragung verhält.

HERCULES ("Hand-held, Earth-oriented, Real-time, Cooperative, User-friendly, Location-targeting and Environmental System"): Mit diesem System soll ein Astronaut mit einer modifizierten Nikon-Kamera auf die Erde zeigen können, um den dazugehörigen Längen- und Breitengrad zu erhalten. Es soll eine Genauigkeit von knapp vier Kilometern liefern. An Bord des Shuttle wird die Kamera zur Justierung erst auf zwei bekannte Sterne ausgerichtet. An Bord der Discovery war in erster Linie James Voss mit dem Experiment beschäftigt.

MIS ("Microencapsulation In Space"): Mit dem Experiment sollte versucht werden, ein Antibiotikum in ein abbaubares Polymer einzuschließen. Diese Mikrokapseln haben eine Größe von 50 bis 100 Mikrometer.

RME-III ("Radiation Monitoring Equipment-III"): RME-III sollte die auftretende Strahlung in Space Shuttle messen. Das Gerät war bereits zum 13. Mal an Bord eines Space Shuttle im Einsatz. Diese Messungen werden insbesondere bei Langzeitflügen an Bedeutung gewinnen.

STL ("Space Tissue Loss"): Mit Hilfe des STL-Experiments wollte man Veränderungen am menschlichen Körper während eines Weltraumfluges erkennen und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen entwickeln. Dazu wurden Zellen bzw. Gewebeproben von Knochen und Muskeln unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt.

VFT-2 ("Visual Function Tester - 2"): Dieses Experiment diente dazu, herauszufinden, wie sich die Funktionalität des Sehens in der Schwerelosigkeit ändert. Das Hauptanliegen ist es, zu ermitteln, ob sich im Weltall die Fähigkeit des Sehens ändert und wie lange gegebenenfalls die Rückbildung zum normalen Zustand braucht.

CRYOHP ("Cryogenic Heat Pipe Experiment"): Mit diesem Experiment wurde nach alternativen Methoden für die Kühlung von elektronischen und mechanischen Geräten an Bord von Raumschiffen gesucht. Insbesondere ging es um Alternativen zu den bisher verwendeten Flüssigkeiten wie z.B. Ammoniak oder Freon.

Daneben wurden einige medizinische Experimente durchgeführt, die unter anderem auch der Planung für die Raumstation Freedom, dem Vorläuferprojekt der ISS, dienten. Verschiedene militärische Experimente wurden ebenfalls durchgeführt.