Die Discovery hob von Cape Canaveral (KSC) ab und setzte auf der Edwards AFB, Runway 22 zur Landung auf.

Der Start war ursprünglich für den 18. Februar 1989 vorgesehen, wurde dann aber wegen verschiedener Verzögerungen insbesondere an der Nutzlast auf den 23. Februar 1989 verschoben. Eine weitere Verschiebung war erforderlich, um eine Flüssigsauerstoffpumpe der Haupttriebwerke auszutauschen. Außerdem waren beim Flug von STS-27 ungewöhnlich viele Hitzeschutzkacheln beschädigt worden oder gingen ganz verloren. Der nach Abschluss der nötigen Arbeiten angesetzte Starttermin, der 11. März 1989, konnte wieder nicht gehalten werden. Im "Master Event Controller" (MEC), der z.B. das Abtrennen der Feststoffbooster und des externen Treibstofftanks kontrolliert, war ein Fehler aufgetreten. Zum Austausch wurde der MEC der Columbia entliehen. Der Start wurde nun auf den 13. März 1989 festgelegt. Wegen Bodennebels sowie Seiten- und Höhenwinden verzögerte sich an diesem Tag der Start nochmals um fast zwei Stunden.

Wesentliches Ziel der Mission war das Aussetzen des dritten und letzten Nachrichtensatelliten TDRS-D in die Erdumlaufbahn. Als sekundäre Nutzlasten flogen verschiedene wissenschaftliche Experimente mit.

Wie üblich stand das Aussetzen eines Satelliten am ersten Flugtag auf dem Programm. 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. Zum Transport in den geostationären Orbit war jeder TDRS mit einer IUS-Oberstufe bestückt. Dabei handelte es sich um ein zweistufiges Feststofftriebwerk. Die IUS ist 5,18 Meter lang und hat einen Durchmesser von 2,80 Metern. Sie erreicht eine Masse von 14.742 Kilogramm. Der TDRS ist an acht Punkten des oberen Verbindungsringes mit der IUS verbunden.
Nachdem das Gespann TDRS/IUS in allen Systemen überprüft worden war, begannen die direkten Vorbereitungen für das Aussetzen. In einem ersten Schritt wurde die IUS-Halterung 29 Grad aus der Nutzlastbucht herausgedreht. Danach brachte ein elektromagnetischer Motor das Gespann in eine 51,8 Grad Neigung. Durch kleine Sprengsätze wurde TDRS/IUS von der Halterung im Frachtraum gelöst und mit Hilfe von Sprungfedern auf eine Geschwindigkeit von 0,13 Metern pro Sekunde gebracht, mit der das Gespann die Nutzlastbucht verließ. Danach entfernte sich die Discovery um etwa 65 Kilometer. Sie hatte damit einen sicheren Abstand zur IUS-Oberstufe. Außerdem drehte der Orbiter dem Gespann die Unterseite zu, um Verunreinigungen durch Triebwerksabgase zu vermeiden. Durch zwei Zündungen der IUS-Oberstufe gelangte TDRS-D in eine geostationäre Erdumlaufbahn und erhielt dort den Namen TDRS-4 bzw. TDRS-East.

Während des Fluges gab es lediglich Probleme mit der Brennstoffzelle Nr. 3. Vorsorglich wurde sie abgeschaltet und Michael Coats angewiesen, dass die Besatzung mit Strom sparsam umgehen möge. Später konnte das Problem dadurch gelöst werden, dass die Brennstoffzelle mit nur einer anstelle von zwei Heizelementen betrieben wurde.

Während der verbleibenden Flugtage hatte die Mannschaft ausreichend Gelegenheit, sich um die wissenschaftlichen Sekundärnutzlasten zu kümmern.

"Space Station Heat Pipe Advanced Radiator Element" (SHARE): Ziel dieses Experimentes war es, eine neue Methode für ein Kühlungssystem zu testen, das später auf einer Raumstation eingesetzt werden könnte. Die hier getestete Methode arbeitete mit unterschiedlichen Aggregatzuständen (flüssig und gasförmig) von Ammoniak. Heizelemente wärmten ein Ende eines 15 Meter langen Rohres auf, sodass das Ammoniak gasförmig wurde. Dieses Gas bewegte sich durch die Röhre, wo es durch eine dem Weltraum ausgesetzte Kühlrippe wieder flüssig wurde. Das flüssige Ammoniak floss dann in das untere Ende der Röhre zurück. Während des Betriebes bereitete das System immer wieder Probleme. Jeweils nach kurzer Betriebsdauer trocknete das Ammoniak aus.

"Orbiter Experiments Autonomous Supporting Instrumentation System" (OASIS): Eine komplexe Anordnung von Sensoren im Frachtraum zeichnete eine Vielzahl von Parametern (Beschleunigungen, Drücke, Temperaturen, akustische Belastung, mechanische Belastung) auf. Das Experiment wurde bereits bei STS-26 eingesetzt.

"Chromosome and Plant Cell Division in Space" (CHROMEX): Dieses Experiment sollte zeigen, ob sich Pflanzenwurzeln unter Schwerelosigkeit ebenso entwickeln wie auf der Erde. Insbesondere sollte erforscht werden wie die Zellteilung in den Wurzelspitzen abläuft und wie sich die Chromosomen dabei verhalten.

"Protein Crystal Growth-III" (PCG-III): Dabei ging es um die Herstellung sehr großer Proteinkristalle und anderer organischer Makromoleküle mit möglichst fehlerfreier Struktur. Gegenüber den früher eingesetzten Systemen war unter anderem eine präzise Temperaturregelung möglich. Das Experiment wurde bereits bei STS-26 eingesetzt.

"IMAX Camera": Das IMAX-System wurde bereits während der Flüge STS-41C, STS-41D, STS-41G und STS-61B eingesetzt. Bei den Aufnahmen während des Fluges von STS-29 ging es um den neuen Film "The Blue Planet". Dafür sollten Vulkane in Mittelamerika, Gebiete in Afrika und Indonesien, gerodete Waldgebiete in Brasilien, das Amazonasbecken und Flusstäler in Madagaskar aufgenommen werden. IMAX ist das größte Filmformat überhaupt und liefert sehr hochwertige Großformatbilder.

"Chicken Embryo Development in Space" (SE83-9): Bei diesem Experiment wurde das Wachstum von Hühnerembryos unter Schwerelosigkeit untersucht. Dazu wurden 32 Eier mit ins All genommen. Auf der Erde lief zeitgleich ein Vergleichsversuch ab.

"The Effect of Weightlessness on the Healing Bone" (SE82-8): Bei diesem Experiment wurde untersucht, wie sich die Schwerelosigkeit von Knochenbrüchen auswirkt. Versuchsobjekte waren Ratten.

"Air Force Maui Optical System" (AMOS): Es handelt sich um ein elektrisch-optisches Instrument, das auf der Hawaii-Insel Maui installiert ist. Mit ihm soll das Space Shuttle im Orbit einschließlich Triebwerkszündungen und Ablassen von Brauchwasser verfolgt werden. An Bord des Orbiters sind dafür keine Instrumente erforderlich.

"Text and Graphics System" (TAGS): Das ist eine Art Faxgerät, das mittels Lasertechnik auch hochqualitative Bilder zum Orbiter übermitteln kann. Das System sollte den bisher verwendeten Standard-Teleprinter ablösen.