STS-61C startete von Cape Canaveral (KSC) und landete auf der Edwards AFB, Runway 22.

Der ursprünglich angesetzte Starttermin vom 18. Dezember 1985 musste mehrfach verschoben werden, zuerst um einen Tag, weil die Ladebucht der Columbia nicht geschlossen werden konnte. Beim Startversuch am 19. Dezember 1985 erzwang eine Fehlanzeige eines Sensors an der Startrampe den Startabbruch bei T-14 Sekunden. Ein nächster Versuch am 06. Januar 1986 wurde bei T-31 Sekunden abgebrochen, weil irrtümlich 1800 kg Flüssigsauerstoff aus dem externen Tank abgepumpt worden waren. Am 07. Januar 1986 meldeten zwei Notlandeplätze in Spanien und Senegal schlechte Wetterbedingungen, sodass der Countdown bei T-9 Minuten angehalten werden musste. Für den Startabbruch am 09. Januar 1986 war ein abgebrochener Flüssigsauerstoff-Sensor an der Startrampe verantwortlich, welcher ein Ventil im Haupttriebwerk des Shuttle zu blockieren drohte. Schließlich musste der für den 10. Januar 1986 angesetzte Starttermin wegen starkem Regen in Cape Canaveral um weitere zwei Tage verschoben werden.

STS-61C markierte den ersten Einsatz des Orbiters Columbia nach fast zweijähriger Pause. Der Grund dafür war, dass der Raumgleiter auf den technischen Stand der übrigen Raumfähren gebracht werden musste. Dies konnte nur beim Hersteller Rockwell International im kalifornischen Palmdale durchgeführt werden. In einigen Bereichen wurden die tragenden Strukturen wesentlich verstärkt. Dazu gehörten die beiden Tragflächen sowie der hintere Teil des Frachtraumes. Im Cockpit wurden die Schleudersitze ausgebaut, mit denen sich bei den ersten vier Flügen Kommandant und Pilot im Notfall hätten retten können. Eingebaut wurden eine Bordküche und vier Schlafkojen. Die Umrüstarbeiten hatten sich in die Länge gezogen; eigentlich hätte die Columbia bereits wieder bei STS-61A eingesetzt werden sollen.

Zu den Missionszielen gehörte das Aussetzen des Nachrichtensatelliten Satcom-KU1 sowie verschiedene wissenschaftliche Experimente wie dem "Materials Science Laboratory" (MSL)-2 und dem "Comet Halley Active Monitoring Program" (CHAMP) zur Beobachtung des Halley'schen Kometen.

Der erste Flugtag begann mit einer Enttäuschung. Gleich nach dem Öffnen der Frachtraumtüren sollte das "Materials Science Laboratory" (MSL)-2 aktiviert werden zu dem drei Einzelexperimente gehörten: "Electromagnetic Levitator" (EML), "Automated Directional Solidification Furnace" (ADSF) und "Three-Axis Acoustic Levitator" (3AAL). ADSF und EML schalteten sich jedes Mal wieder aus, sobald das entsprechende Aktivierungskommando ergangen war. Trotz intensiver Fehlersuche mussten die beiden Experimente aufgegeben werden. Lediglich 3AAL konnte ordnungsgemäß aktiviert werden und funktionierte fehlerfrei.

Bereits für diesen ersten Flugtag stand das Aussetzen des Nachrichtensatelliten Satcom-KU1 auf dem Programm. Wie sein Vorgänger verfügte der Satellitentyp über eine wesentlich stärkere Sendeleistung im Ku-Band. Er hatte einen kastenförmigen Grundkörper mit den Abmessungen 1,70 x 2,13 x 1,52 Meter. Mit seinen zwei vierteiligen Solarauslegern erreichte er eine Spannweite von 19,8 Meter. Er verfügte über 16 Ku-Band-Transponder mit jeweils 45 Watt Sendeleistung.
Wie bei früheren Flügen wurde zunächst der Sonnenschutzschild des Containers geöffnet und dann der Satellit in eine Längsachsenrotation von 50 Umdrehungen pro Minute gebracht. Pünktlich auf die Sekunde schoben die vorgespannten Federn des Satelliten aus dem Frachtraum. Robert Gibson und Charles Bolden vergrößerten dann den Abstand zu Satcom-KU1 und drehten ihm die Unterseite der Columbia zu, um Verschmutzungen durch Treibstoffabgase zu vermeiden. Rund 45 Minuten nach dem Aussetzen zündete die Oberstufe vom Typ PAM-D2, die damit zu ihrem zweiten Einsatz kam. Durch die Zündung des satelliteneigenen Apogäums-Triebwerks am 15. Januar 1986 gelangte der Nachrichtensatellit auf die geplante geostationäre Erdumlaufbahn.

Mit großen Erwartungen wurde das Experiment "Comet Halley Active Monitoring Program" (CHAMP) aktiviert. Hierbei sollte jeweils ein Besatzungsmitglied in eine Art Lichtschutzsack kriechen und dann mit einer 35-mm-Kamera Aufnahmen des Kometen Halley machen. Zur Kamera gehörte auch ein elektronisches Bildverstärkungssystem, mit dem erst sinnvolle Aufnahmen möglich werden sollten. Die Batterien dafür waren jedoch leer, weil beim letzten Test vor dem Start der Columbia vergessen wurde, das Gerät auszuschalten. So musste George Nelson die Batterien ersetzen. Allerdings funktionierte der Bildverstärker damit weiterhin nicht. Er war durch das lange Eingeschaltetsein irreparabel beschädigt worden. George Nelson machte dann zwar noch ein paar Aufnahmen mit langer Belichtungszeit (30 Sekunden), deren wissenschaftlicher Wert aber eher gering war. Selbst mit CHAMP wäre es für die Astronauten schwierig gewesen, den Halley'sche Kometen zu beobachten, da er bereits sehr nahe an der Sonne stand.

Zu den Frachtraumexperimenten gehörte noch das "Infrared Imaging Experiment" (IR-IE). Das an der hinteren Frachtraumwand montierte Experiment sollten Stück für Stück Infrarotbilder von der Erdoberfläche fertigen. Auf der Beobachtungsliste der NASA standen Honolulu, Houston, Galveston, Miami, San Juan sowie das Sternenlicht und der Mond. Verantwortlich für das System war Robert Cenker, weil es von seinem Arbeitgeber - der RCA Communications - entwickelt worden war.

Die Columbia war als Träger für verschiedene OEX-Experimente ausgewählt worden. Dabei sollte das Space Shuttle als Versuchsobjekt für Wiedereintrittsexperimente genutzt werden. Zu den Versuchsanordnungen gehörten:
"Shuttle Entry Air Data System" (SEADS): Es handelte sich um eine Anordnung von Druckmessgeräten in der Bugnase, um den Staudruck zu messen. Die Druckmessungen begannen in etwa 85 km Höhe und dauerten bis zur Landung. Ebenso wurden Messungen in der Startphase durchgeführt.
"Shuttle Upper Atmospere Mass Spectrometer" (SUMS): Für Messungen oberhalb von 80 km war im Bugfahrwerksschacht ein automatisches Massenspektrometer installiert. Damit konnten selbst kleinste Luftmengen Auskunft darüber geben, wie die Atmosphärendichte ist.
"Shuttle Infrared Leeside Temperature Sensing" (SILTS): Am oberen Ende des Seitenleitwerks war ein aerodynamisch verkleideter Pod angebracht worden, der eine hochauflösende Infrarotkamera enthielt. Damit konnten genaue Temperaturverteilungskarten erstellt werden. Der Infrarotsensor konnte Temperaturen von 93 bis 538 Grad Celsius erfassen und wurde mit Hilfe von Stickstoff gekühlt.

Der Kongressabgeordnete William Nelson war der zweite US-amerikanische Politiker, der an einem Raumflug teilnahm. Er beteiligte sich an relativ einfachen Experimenten wie der Züchtung von Proteinkristallen. Ebenso nahm er an einem Experiment mit biomedizinischem Charakter teil.

Wegen des mehrfach verschobenen Starttermins, sollte die Mission um einen Tag verkürzt werden, um mehr Zeit für Wartungsarbeiten zwischen den einzelnen Shuttle-Missionen zu haben. Die Wetterlage in Florida ließ jedoch eine Landung weder am 16. Januar 1986, noch an den beiden folgenden Tagen zu, sodass die Mission nunmehr zwei Tage länger, als ursprünglich geplant dauerte und außerdem zur Edwards AFB umgeleitet werden musste.