Der Start erfolgte von Cape Canaveral (KSC). Das Space Shuttle landete auf Edwards AFB, Runway 22. Es war der erste Einsatz der Raumfähre Challenger.

Der ursprüngliche Starttermin, der 30. Januar 1983, konnte nicht gehalten werden, weil ein Wasserstoffleck in einem der Haupttriebwerke entdeckt wurde, sodass dieses Haupttriebwerk ausgewechselt werden musste. Zudem wurde der auszusetzende Nachrichtensatellit bei einem heftigen Sturm beschädigt, sodass es zu weiteren Startverzögerungen kam.

In den ersten Stunden nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn stand das Aussetzen des Kommunikationssatelliten TDRS-A mit einer IUS-Antriebsstufe auf dem Flugplan. Die TDRS-Satelliten haben ein Gewicht von knapp 2.300 kg. Ihre Grundform ist ein sechskantiges Prisma, das etwa 1,5 Meter hoch und maximal 2,5 Meter breit ist. Neben einer Lageregelungseinheit und den notwendigen Akkus sind 4 S-Band-Transponder mit 2,5 GHz, 12 C-Band-Transponder mit 6/4 GHz und zwei Ku-Band-Transponder mit 14/12 GHz an Bord. Das Antennenmodul bestand aus 28 Einzelstrahlern. Hinzu kamen vier kleine Antennen, die für die Kommunikation mit dem Satelliten selbst benötigt wurden. Die Solarflächen waren dreiteilig und hatten Ausmaße von 3,81 x 3,81 Meter und erzeugten 1.850 Watt elektrische Leistung. Der Kommunikationssatellit konnte bis zu 300 Mbit Daten pro Sekunde übertragen.
Zu Beginn des Aussetzvorganges wurde der Halterungsadapter mit dem Satelliten um etwa 29 Grad nach oben (aus dem Frachtraum heraus) gedreht. Danach folgten umfangreiche Checks des Satelliten selbst als auch der IUS-Antriebsstufe. Rund 20 Minuten vor dem eigentlichen Aussetzen wurde die Kombination aus Satellit und Raketenstufe auf interne Stromversorgung umgeschaltet. Gleichzeitig wurde das Gespann auf 59 Grad gegenüber der Orbiter-Längsachse weiter aufgerichtet. Schließlich gab Story Musgrave den Satelliten und die IUS-Antriebsstufe frei. Gut 18 Minuten später zündete Paul Weitz das Triebwerk der Challenger, um eine sichere Entfernung zu dem Gespann zu erreichen. In den folgenden Stunden machte die IUS-Antriebsstufe von TDRS-A jedoch Probleme. Die erste Stufe der Rakete hatte noch planmäßig gezündet und den Satelliten in eine Übergangsbahn befördert. Die zweite Stufe, die eigentlich 103 Sekunden hätte brennen sollen, versagte jedoch schon nach 70 Sekunden Brenndauer. Die damit erreichte Geschwindigkeit genügte aber nicht, um einen geostationären Orbit zu erreichen. Um den Satelliten überhaupt retten zu können, wurden die Solarflächen aufgeklappt, damit die nötige Energie zur Verfügung stand. Im Laufe der folgenden Wochen gelang es, durch behutsames Feuern der satelliteneigenen Steuerdüsen, diesen doch auf die geplante geostationäre Umlaufbahn anzuheben, die er nach 58 Flugtagen erreichte.

Story Musgrave und Donald Peterson führten am 07. April 1983 (4h 10m) die erste EVA von Bord eines Space Shuttle durch. Während der nächsten gut vier Stunden turnten die beiden Astronauten durch den Frachtraum des Orbiters. Durch spezielle Leinen waren sie gesichert. Sie vollführten kleine Flugmanöver und schwebten entlang der Seitenwände. Weiterhin wurden spezielle Werkzeuge für spätere Außenbordeinsätze und Satellitenreparaturen getestet. Außerdem wurden die neu entwickelten Raumanzüge einer eingehenden Überprüfung unterzogen.

Die wissenschaftlichen Experimente betrafen die Erderkundung, Materialforschung und Navigation. Getestet wurde erneut die Anlage CFES (Continuous Flow Electrophoresis System), die bereits auf STS-4 mitflog und zur Trennung von chemischen Substanzen, insbesondere von Medikamenten aus Stoffgemischen eingesetzt wurde. Mit ihr gelang die Stofftrennung 700-mal schneller als in herkömmlichen Anlagen auf der Erde und die Endprodukte lagen in viermal größerer Reinheit vor. Außerdem wurden mit dem MLR-Experiment (Monodisperse Latex Reactor) idealgeformte Kunststoffkügelchen hergestellt, die als Medikamententräger in der Krebsforschung eingesetzt werden sollen.