Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB, Runway 04.

Das "LIDAR In-Space Technology Experiment" (LITE) war Hauptnutzlast an Bord. Mit ihm wurden Untersuchungen der Erdatmosphäre vorgenommen. LIDAR (Light Detection And Ranging) nutzt aktive emittierte elektromagnetische Strahlung, um Objekte in der Luft (oder im Weltraum) zu orten. Neben der genauen Größe des Objektes gewinnt man dabei auch Angaben über Größe, Kurs und Geschwindigkeit des Objektes. Während beim Radar dies mit Radiowellen unterschiedlichster Frequenzen gemacht wird, wird bei LIDAR auf Licht, genauer auf Laserlicht, zurückgegriffen. Laserlicht hat den großen Vorteil, dass es sich nur wenig auffächert. Dabei traten zunächst Probleme mit der Datenübertragung zur Erde auf. Wenn keine Verbindung zu einem TDRS-Satelliten bestand, wurden die Daten auf einen "High Data Rate Recorder" (HDRR) aufgezeichnet. Die später zum Boden übertragenen Daten waren dort jedoch unlesbar. So blieb nur der Trost, dass der größte Teil über TDRS zur Erde gelangte.

Probleme mit der Datenübertragung gab es auch bei einem zweiten wichtigen Experiment. Es handelte sich um SPIFEX ("Shuttle Plume Impingement Flight Experiment"). Es handelte sich dabei im Wesentlichen um einen 10 Meter langen Mast, an dessen Ende sich verschiedene Sensoren befanden, mit denen die Auswirkungen von Triebwerksfeuerungen auf Strukturen im Weltall untersucht werden sollte. Nachdem das Experiment von Susan Helms aus dem Frachtraum herausgeschoben worden war und die ersten Daten aufgezeichnet werden sollten, erschien auf dem Computer eine Fehlermeldung. Erst nach einem Neustart von SPIFEX und dem Datenaufzeichnungsgerät funktionierte die Datenaufzeichnung. Zur Kalibrierung musste SPIFEX über einen Kanister mit Stickstoff gebracht werden. Das Gas wurde abgelassen, während die Sensoren des Gerätes in zehn verschiedene Positionen und Entfernungen zum Kanister gebracht wurden. In der Folgezeit steuerte Susan Helms mit dem Greifarm SPIFEX, Blaine Hammond feuerte die Triebwerke und Mark Lee bediente das Datenerfassungssystem.

Zur Nutzlast der Discovery gehörte auch die Freiflugplattform SPARTAN-201. Die Trägerplattform hat etwa die Ausmaße 1,30 m x 1,10 m x 1,20 m und ihr Gewicht liegt je nach Mission bei 1,0 bis 1,3 Tonnen. An Bord von SPARTAN-201 befanden sich zwei wissenschaftliche Experimente, die die Erforschung des Sonnenwindes und bestimmter Aspekte der Korona der Sonne dienten. Eine Besonderheit bei dieser SPARTAN-Mission war, dass die Messungen zeitgleich mit dem Forschungsprogramm der europäischen Sonnensonde Ulysses stattfanden. Die Vorbereitungen für das Aussetzen von SPARTAN-201 verliefen problemlos und ruhig, sodass die Freiflugplattform nach Plan zu ihrem knapp zweitägigen Flug ausgesetzt werden konnte. Kurz nach dem Aussetzen zündete Blaine Hammond die Triebwerke der Discovery, um die Entfernung zu vergrößern. Die maximale Entfernung zwischen beiden Raumflugkörpern betrug 111 km. Zwischenzeitlich gab es Schwierigkeiten mit dem Bordradar der Discovery. Zeitweise war ein Radarkontakt zu SPARTAN-201 nicht möglich.
Mehrere Triebwerkszündungen leiteten die Bergung von SPARTAN-201 am 15. September 1994 ein. Das Bordradar konnte die Plattform in einer Entfernung von 39 km erfassen. Als SPARTAN-201 in die Reichweite des Greifarms der Discovery kam, führte Susan Helms den End Effector über den Greifstutzen und ließ die Schlingen straffziehen.

Die einzige EVA dieser Mission erfolgte durch Carl Meade und Mark Lee am 16. September 1994 (6h 51m) zur Erprobung des Freifluggerätes SAFER. Zunächst widmeten sich die Astronauten aber ein paar Minuten den Kabeln, die den HDRR mit LITE verbanden, konnten aber keine Ursache für die Übertragungsprobleme finden. Danach begann Mark Lee, mit SAFER einfache Bewegungsübungen innerhalb des Frachtraums der Discovery. Da der Stickstoffvorrat von SAFER begrenzt war, musste das Gerät nach den ersten Tests neu betankt werden. Die "Tankstelle" befand sich im vorderen Teil des Frachtraumes. Danach begann eine Rettungsübung, zu der sich Carl Meade und Mark Lee zum End Effector des Shuttle-Greifarms begaben. Carl Meade verankerte dort seine Füße und er ergriff seinen Kollegen. Susan Helms hob beide Astronauten hoch über den Frachtraum, während Blaine Hammond die Discovery-Triebwerke aktivierte. Am Ausgangspunkt angekommen, wurde Mark Lee von seinem Kameraden in einer Längsachsenrotation versetzt und dann losgelassen. Er aktivierte das automatische Lagestabilisierungssystem von SAFER, womit er binnen Sekunden stabilisiert wurde. Danach flog er zu Carl Meade zurück. Bei weiteren Tests versetzte Carl Meade seinen Partner in Drehungen um alle Achsen. Auch bei diesen Übungen funktionierte SAFER perfekt. Nach erneutem Tanken wurden die Flugqualitäten des Gerätes getestet. Mark Lee musste genau am Greifarm des Orbiters entlang fliegen, dessen Gelenk sich in gebogenem Zustand befand. Schließlich gehörte noch ein Präzisionsanflug vom Gelenk des Greifarms direkt zu den Fenstern des Aft Decks zum Übungsprogramm. Danach übernahm Carl Meade SAFER und wiederholte das Testprogramm seines Kollegen. Zuletzt waren die Batterien des Freiflugsets bis auf fünf Prozent entladen. Im letzten Teil des Außenbordeinsatzes wurden Werkzeuge und Ausrüstungen getestet. Dazu gehörten eine verbesserte Fußhalterung mit Gelenkverbindung, Schnellschlusshaken für die Halteseile, modifizierte Handläufe und ein Seil mit großer Steifigkeit. Zu den neuen Ausrüstungsgegenständen gehörte auch eine elektronische Checkliste, die am linken Unterarm getragen wird. Dabei handelte es sich um einen Mikrocomputer.

Mitteldeck-Experimente waren: "Biological Research in Canister" (BRIC) Experiment, "Military Application of Ship Tracks" (MAST), "Solid Surface Combustion Experiment" (SSCE), "Radiation Monitoring Equipment III" (RME III), "Shuttle Amateur Radio Experiment II" (SAREX II) und "Air Force Maui Optical Station" (AMOS).

Wegen des sparsamen Verbrauchs an Treibstoff und Energie war der Flug zwischenzeitlich um einen Tag verlängert worden. Nach kurzzeitigen Computerproblemen verschlechterte sich das Wetter im KSC so sehr, dass zwei Landemöglichkeiten dort aufgegeben werden mussten. Damit wurde der Flug um einen weiteren Tag verlängert. Am nächsten Tag ließen die Wetterverhältnisse erneut keine Landung in Florida zu. Stattdessen wurde die erste Landemöglichkeit auf der Edwards AFB genutzt.