Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC), Runway 33. STS-50 landete entgegen den Planungen in Cape Canaveral, weil eine Landung auf der Edwards AFB wegen der Auswirkungen des Hurrikans Darby nicht möglich war.

Bei STS-50 wurde erstmals ein Space Shuttle mit einer Extended Duration Orbiter (EDO)-Palette ausgerüstet, die es erlaubt, Flüge mit längerer Missionsdauer zu unternehmen. Zusätzlich zu dieser EDO-Palette wurde die Columbia auch noch mit einem neuen, regenerativen System zur Kohlendioxidbeseitigung aus der Atemluft (was aber einige Tage aufgrund eines defekten Sensors nicht funktionierte) sowie durch neue Schubladen im Mitteldeck mit weiterem Stauraum für Lebensmittel und Abfällen ausgerüstet. Zudem wurden zwei Extra-Tanks für Stickstoff eingebaut. Das neue Waste Collection System (also das Abfall-Sammelsystem) funktionierte zwar einwandfrei, gab aber, wenn es arbeitete pfeifende Geräusche von sich.

Wie bei allen Spacelab-Missionen wurde in zwei 12-Stunden-Schichten rund um die Uhr gearbeitet, um die Zeit in der Erdumlaufbahn optimal ausnutzen zu können. Das rote Team bestand aus Richard Richards, Kenneth Bowersox, Bonnie Dunbar und Lawrence DeLucas. Dem blauen Team gehörten Ellen Baker, Carl Meade und Eugene Trinh an.

Hauptnutzlast der Mission war das "United States Microgravity Laboratory-1" (USML-1) mit insgesamt 31 Experimenten der wie Züchtung von Kristallen, medizinischen Experimenten, der Untersuchung der Dynamik von Fluiden in der Schwerelosigkeit und biologischen Experimenten. Unter anderem standen diese Experimente auf dem Programm: "Crystal Growth Furnace" (CGF), "Drop Physics Module" (DPM), "Surface Tension Driven Convection Experiments" (STDCE), "Zeolite Crystal Growth" (ZCG), "Protein Crystal Growth" (PCG), "Glovebox Facility" (GBX), "Space Acceleration Measurement System" (SAMS), "Generic Bioprocessing Apparatus" (GBA), "Astroculture-1" (ASC), "Extended Duration Orbiter Medical Project" (EDOMP), "Solid Surface Combustion Experiment" (SSCE).

Sekundäre Experimente waren: "Investigations into Polymer Membrane Processing" (IPMP), "Shuttle Amateur Radio Experiment II" (SAREX II) und "Ultraviolet Plume Instrument" (UVPI).

Noch vor Ende der Mission USML-1 gab die NASA einen Überblick über die abgeschlossenen Experimente:

Das "Crystal Growth Furnace"-Experiment (CGF), der erste Weltraumofen, der in der Lage war, automatisch mehrere größere Proben bis zu Temperaturen von 1.600 Grad Celsius zu prozessieren, hatte für 286 Stunden gearbeitet und sieben Halbleiterkristalle gezüchtet.

Das "Deep Physics Module" (DPM) funktionierte perfekt. Die Untersuchung der Dynamik von Fluiden, die im Spacelab befreit waren von Gravitation und Behälterwänden, brachten einige Premieren: den ersten Verbundtropfen (ein Tropfen in einem anderen ähnlich wie der Dotter im Ei), die erste Vereinigung von vielen kleinen Tropfen zu einem großen, den kleinsten und größten Tropfen überhaupt im Weltraum sowie das Zurückholen eines Tropfens in die Spritze.

Das "Surface Tension Driven Convection"-Experiment (STDCE) hat erfolgreich gezeigt, dass Oberflächenspannung eine sehr große Kraft bei Flüssigkeitsbewegungen ist.

Im Mini-Labor "Glovebox" wurden alle 16 Technologie-Experimente erfolgreich durchgeführt. Dabei hat sich die "Glovebox" als sehr vielseitig verwendbares Instrument erwiesen, in dem Versuche zur Fluid-Physik genauso gut abliefen wie Kristall-Züchtungen und Brand-Experimente.

Das Nahrungsverteilungssystem für Pflanzen "Astroculture" funktionierte ebenfalls tadellos - eventuell sogar besser als das Gegenstück auf der Erde.

Der Jungfernflug des "Generic Bioprocessing Apperatus" (GBA) war auch erfolgreich. Die gewonnenen Video-Daten der insgesamt 132 Proben lassen den Schluss zu, dass Luzerne und Klee ebenso gut gedeihen konnten wie Krabben und Bakterien.

Obwohl es für das "Protein Crystal Growth"-Experiment (PCG) bereits der 14. Shuttle-Flug war, konnten bei USML-1 die Wachstumsbedingungen erstmals optimiert werden. Die meisten Proben haben von der langen Schwerelosigkeit profitiert, die bis dahin bei keinem Shuttle-Flug ausreichend zur Verfügung stand. Dadurch konnten endlich auch sehr langsam wachsende Kristalle zu enormer Größe heranwachsen. Insgesamt wurden 300 Proben aus 24 verschiedenen Proteinen verbraucht. Darunter waren die größten jemals im Weltraum gezüchteten Kristalle ihrer Art.

Auch der "Zeolite Crystal Growth Furnace" (ZCG) arbeitete zur Zufriedenheit aller bei seinem ersten Einsatz. Aufgrund der außerordentlich guten Mikrogravitationsverhältnisse bei diesem Flug hatten die Aluminium-Silikon-Kristalle, die in der Industrie als Molekularfilter benutzt werden, optimale Bedingungen.

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.

Nachdem die Missionsdauer aufgrund schlechten Wetters noch verlängert werden musste, war diese Mission auch der bis dahin längste Flug eines Space Shuttle.