Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC).

Der ursprünglich angesetzte Starttermin musste wegen verschiedener technischer Probleme (unter anderem Ausstausch einer Brennstoffzelle auf der Startrampe)und dem Wirbelsturm "Erin" mehrfach verschoben werden.

Hauptnutzlasten waren die Forschungsplattform SPARTAN-201 und die "Wake Shield Facility" (WSF-2). Der frei fliegende SPARTAN-201 wurde am zweiten Flugtag ausgesetzt und absolvierte seinen dritten Einsatz während dieser Mission. Es wurde dabei der Zusammenhang zwischen der Sonne und dem von ihr erzeugten Strom an geladenen Partikeln (Sonnenwind), insbesondere dabei die äußere Atmosphäre der Sonne und der Ausstoß des Sonnenwindes von dieser untersucht. Nach zwei Tagen Freiflug wurde der Satellit wieder erfolgreich zurück an Bord geholt.

Am fünften Flugtag wurde die "Wake Shield Facility" (WSF-2) ausgesetzt und ebenfalls nach zwei Tagen im freien Flug wieder eingefangen. Bei dem WSF-2 handelte es sich um einen untertassenförmigen Satelliten. Während seines Freifluges sollte sich quasi in seinem "Kielwasser", also direkt hinter ihm ein Ultrahochvakuum bilden, das für materialwissenschaftliche Experimente zum Wachstum extrem dünner Halbleiterschichten (Wafer) aus Galliumarsenid genutzt werden sollte. Bei der Mission STS-60 konnte die WSF wegen technischer Probleme nicht ausgesetzt werden. Diesmal klappte es, wenn auch mit Schwierigkeiten. Wegen Problemen innerhalb des WSF musste der Freiflug zunächst um einen Tag verlängert werden, aber auch so konnten nur 4 von 7 geplanten Wafern hergestellt werden.

Die einzige EVA während des Fluges wurde durch James Voss und Michael Gernhardt am 16. September 1995 (6h 46m) unternommen. Dabei wurden Tests für den Bau der Internationalen Raumstation (ISS) ausgeführt. Insgesamt 17 neuartige Werkzeuge bzw. Prozeduren befanden sich zu diesem Zweck in der als "Task Board" bezeichneten Arbeitsplattform.

STS-69 führte auch den International Extreme Ultraviolet Hitchhiker (IEH-1) mit, den ersten von fünf geplanten Flügen um die Flussstärke des von der Sonne stammenden Extreme Ultraviolet (EUV) zu messen und ihren Verlauf zu verfolgen, sowie die EUV Emissionen des Plasma-Torus um Jupiter, welcher von seinem Mond Io ausgeht. Eine weitere Nutzlast an Bord war die Electrolysis Performance Improvement Concept Study (EPICS), die mit der ISS in Verbindung stand.