Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf Cape Canaveral (KSC). Der Start war ursprünglich für den 31. Oktober 1996 geplant. Aus verschiedenen Gründen wurde der Starttermin aber auf den 19. November 1996 neu festgesetzt.

Die Mission ORFEUS-SPAS-02. ORFEUS (Orbiting and Retrievable Far and Extreme Ultraviolet Spectrograph) ist ein Komplex astronomischer Instrumente, die auf einem Pallettensatelliten (SPAS) montiert sind. Hauptnutzlast sind das 1-Meter-Spiegelteleskop (Brennweite 2,4 Meter) und zwei UV-Spektrographen, der Far Ultraviolet Spectrograph für Wellenlängen im Bereich 90-125 nm sowie der Extreme Ultraviolet Spectrograph, der Licht mit Wellenlängen von 40 bis 115 nm untersucht. Damit wurden die Oberflächen besonders großer und heißer Sterne, die Koronen sonnenähnlicher Sterne, die Kühlmechanismen weißer Zwergsterne, die Natur von Akkretionsscheiben um kollabierte Sterne und Doppelsternsysteme, Supernova-Überreste, aktive Galaxien, interstellare Materie und potentielle Sternentstehungsgebiete untersucht.

Zwei durch Thomas Jones und Tamara Jernigan geplante EVAs mussten abgesagt werden, weil die Ausstiegsluke klemmte.

Das Aussetzen und Wiedereinfangen des deutschen Astronomie-Satelliten ORFEUS-SPAS-02 sowie des Freiflugkörpers Wake Shield Facility (WSF-3) gelangen problemlos. Der vorausfliegende Schild der WSF hat einen Durchmesser von etwa 3,6 Metern und erzeugt in seinem Schatten ein besonders gutes Vakuum. Es ist 100 bis 1000 Mal reiner als das beste künstlich erzeugte Vakuum auf der Erde. Hier wurden epitaktisch sieben dünne Filme aus Mischhalbleitermaterialien, beispielsweise Aluminium-Galliumarsenid und Indium-Galliumarsenid, hergestellt.

In der Ladebucht der Raumfähre waren weitere Apparaturen untergebracht. Damit wurden der Einfluss der Mikrogravitation auf genetisch veränderte Tomaten- und Tabakkeimlinge untersucht. Als molekulare Marker waren mehrere Gene aus Sojabohnen eingepflanzt. Gegenstand der Forschungen waren Transport und Verteilung von Hormonen in den Pflanzen sowie die Geschwindigkeit des Pflanzenwachstums. Insgesamt 200 Keimlinge waren in 22 Petrischalen untergebracht und auf 5 Kanister verteilt (Biological Research in Canisters). Zur Analyse auf der Erde wurden einige Pflanzen eingefärbt oder eingefroren.

Zumeist biologisch waren auch die Proben, die im Rahmen eines Bildungsprogrammes an Bord der Columbia waren (Space Experiment Module). Schüler verschiedener Altersgruppen hatten die Experimente entworfen und gebaut. So wurden Algen, Knochen, Filmmaterial, Hefe, Krabben, Pflanzensamen, Kalk, Popkorn und Moskitoeier mitgeführt. Anspruchsvollere Untersuchungen beschäftigten sich beispielsweise mit der Konvektion in Flüssigkeiten, der Wärmeleitung in Kupfer, dem Verhalten nicht mischbarer Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit, Messungen von Gravitation und Beschleunigungen sowie dem Studium von Kristallen. Zum Forschungskomplex gehörte auch ein Partikeldetektor.

Bisherige Wärmeaustauschsysteme funktionieren über eine Kühlflüssigkeit, die die überschüssige Wärme aus der Kabine zu Radiatoren transportiert. Der Kühlkreislauf wird dabei von kleinen Pumpen in Gang gehalten. Effektiver könnte jedoch in Zukunft ein System sein, bei dem der Flüssigkeitsstrom motorlos, durch Kapillarkräfte angetrieben wird. Ein entsprechendes System (Capillary Pumped Loop) wurde während der Mission getestet. Dabei wurde das Verhalten der Flüssigkeit und des entstehenden Dampfes zur genaueren Untersuchung aufgezeichnet.

Es war der bisher längste Shuttle-Flug (Verlängerung um zwei Tage wegen schlechten Wetters im Landegebiet am KSC). Story Musgrave stellte einen neuen Altersrekord für Raumfahrer auf. Dieser Rekord ist inzwischen gebrochen.