Start von Cape Canaveral (KSC) nach zwei Startverschiebungen wegen technischer Probleme (Startabbruch am 20. Juli 1999) bzw. wegen schlechten Wetters (am 22. Juli 1999). Landung auf Cape Canaveral (KSC), Runway 33. Die geplante Höhe der Umlaufbahn wurde wegen Ausfall je eines von zwei Kontrollcomputern an zwei der drei Haupttriebwerke und wegen zu frühem Ausschalten der SSMEs aufgrund eines fehlerhaften Einspritzstöpsels nicht erreicht. Die Mission konnte trotzdem fortgesetzt werden.

Eileen Collins wurde erster weiblicher Kommandant eines Space Shuttle.

Mit der Columbia wurde das Röntgenteleskop Chandra in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht. Bereits wenige Stunden nach dem Start wurde es nach einem kurzen Systemcheck aus der Ladebucht katapultiert. Die zweistufige Inertial Upper Stage brachte den Satelliten später auf eine elliptische Umlaufbahn zwischen 1.200 und 72.000 Kilometern Höhe.

An Bord der Raumfähre wurden anschließend Experimente auf den Gebieten Biologie, Astronomie, Atmosphärenforschung und Raumfahrttechnologie durchgeführt. So wurden Triebwerkszündungen dafür benutzt, die Sensoren des bereits 1996 gestarteten Satelliten MSX (Midcourse Space Experiment) zu kalibrieren. Er überflog die Raumfähre in etwa 600 Kilometern Entfernung. Der Einfluss der Triebwerksabgase auf die umgebende Ionosphäre wurde beim Experiment SIMPLEX erforscht. Dabei sollte die Quelle hochfrequenter Radarechos, durch den Orbiter verursacht, angepeilt werden. Die Daten werden benötigt, um Turbulenzen in der Ionosphäre feststellen zu können. Auf dem Mitteldeck der Columbia befand sich eine an ein UV-Teleskop gekoppelte CCD-Kamera (South West Ultraviolet Imaging System). Mit ihr können in schneller Folge Bilder von Himmelskörpern in unserem Sonnensystem gemacht werden. Beobachtungsobjekte waren die Planeten Merkur, Venus und Jupiter sowie der Mond und ein Komet. Vom Mitteldeck aus wurden außerdem Bilder der Erde mit einer elektronischen Kamera gemacht (Earth KAM).

Erforscht wurde auch der Einfluss der Mikrogravitation auf die Herstellung gallertartiger Gemische. Damit sollte bewiesen werden, dass Vorstufen von Compositkeramiken in der Schwerelosigkeit eine gleichmäßigere Struktur bekommen. Technologische Forschungen beinhalteten die Erprobung von Formgedächtnismetallen zum Ausklappen einzelner Solarzellenpanele (Light Weight Flexible Solar Array Hinge) und die Prüfung der Leistungsfähigkeit von Beschleunigungsmessern, Kreiselsystemen und Sensoren bei Start, Landung und während des Aufenthaltes in der Schwerelosigkeit (Micro-Electrical Mechanical Systems).

Bei den biologischen Untersuchungen ging es zum einen um die Bestätigung von Modellen für den Gewebe- und Funktionsverlust von Muskel-, Knochen- und Hautzellen durch die Stressfaktoren Schwerelosigkeit und erhöhte Strahlung (Cell Culture Module). Auf zellularer Ebene wurden Zellskelett, Stoffwechsel, Membranintegrität und Proteaseaktivität untersucht. Außerdem wurden pharmazeutische Präparate getestet, die den Gewebeverlust bremsen sollen. Beim Experiment Space Tissue Loss wurden Zellkulturen mit einem Mikroskopsystem überwacht, um ihre unmittelbaren Reaktionen auf Veränderungen der Umwelt aufzeichnen zu können. Zum anderen wurde erforscht, ob sich Pflanzen dazu eignen, durch direkte physiologische Reaktionen Veränderungen in der Umwelt anzuzeigen (Plant Growth Investigations in Microgravity). Ebenfalls an Bord waren die Experimente Commercial Generic Bioprocessing Apparatus und Biological Research In a Canister.

Während der Mission wurde mehrfach über das Shuttle Amateur Radio Experiment Funkkontakt zu Schulklassen und Privatpersonen aufgenommen. Das Fahrradtraining diente nicht nur der körperlichen Ertüchtigung, sondern auch der Untersuchung der dadurch verursachten Vibrationen und Möglichkeiten, diese zu dämpfen.