STS-41 startete von Cape Canaveral (KSC). Die Landung erfolgte auf der Edwards AFB, Runway 22.

Hauptaufgabe der Mission war das Aussetzen der Sonnensonde Ulysses, die von der ESA gebaut wurde und mit 19,9 Tonnen die bisher schwerste Nutzlast eines Space Shuttles war.

Unmittelbar nach dem Einschwenken in die Erdumlaufbahn und dem Öffnen der Frachtraumtüren begannen die Vorbereitungen für das Aussetzen von Ulysses. Üblicherweise wird die Hauptnutzlast bereits am ersten Flugtag ausgesetzt, damit bei eventuellen Problemen genügend Zeit besteht.

Die Sonnensonde Ulysses hatte Ausmaße von 3,20 x 3,30 x 2,10 Meter bei einem Gesamtgewicht von 366 kg. Die Grundstruktur bestand aus einer Aluminiumplatte in Wabenbauweise sowie mehreren Streben, die eine Art offenen Kasten bildeten. Dieser Kasten enthielt die meisten technischen Systeme sowie viele der wissenschaftlichen Instrumente. Jede Seite des Kastens diente als Montagegrundlage für eine besondere Struktur von Ulysses. Oben befand sich die schüsselförmige "High Gain Antenna" mit einem Durchmesser von 1,65 Meter. Nach unten wurde eine 8 Meter lange Stabantenne aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung für eines der Experimente ausgefahren. Die erste Seitenfläche diente als Grundlage für den "Radioisotope Thermoelectric Generator" (RTG), also einen kleinen nuklearen Generator. Ihm gegenüber befand sich der 5,5 Meter lange, zweiteilige "Radial Boom" (mit zwei Gelenken), der die Sensoren verschiedener Experimente trug. An den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen befand sich jeweils der Ausfahrmechanismus für eine Dipol-Doppelantenne, die insgesamt 72,5 Meter lang war. Die Sonde verfügte über ein Lageregelungs- und Bahnkontrollsystem. Acht winzige, mit Hydrazin betriebene Triebwerke konnten die Lage der Spinachse sowie die Umdrehungsgeschwindigkeit des Satelliten steuern. Drei parallel zur Spinachse angeordnete Schwingungsdämpfer hatten die Aufgabe, von Triebwerksfeuerungen hervorgerufene Schwingungen schnell wieder abzubauen. Zum Kommunikationssystem von Ulysses gehörten zwei S-Band-Empfänger, zwei S-Band-Sender, zwei X-Band-Sender, die "High Gain Antenna" sowie zwei kleinere "Low Gain Antenna" als Reserve. Für die Stromversorgung wurde der bereits erwähnte "Radioisotope Thermoelectric Generator" (RTG) verwendet.
Für den Einschuss in die Transferbahn - zunächst zum Jupiter - wurde eine "Inertial Upper Stage" (IUS) kombiniert mit einer PAM-S-Oberstufe verwendet. Beide Triebwerke arbeiteten mit Feststoff.

Ulysses sollte die Polregionen der Sonne sowie unser Sonnensystem außerhalb der Ebene der Ekliptik erforschen. Für diese Aufgaben war die Sonde mit insgesamt 13 wissenschaftlichen Experimenten ausgestattet. Deren Ziele lassen sich so zusammenfassen:

- Beobachtung der Stärke des interplanetaren Magnetfeldes und des Sonnenwindes bei kompletten polaren Umläufen um die Sonne
- Suche nach den Quellen des Sonnenwindes durch Messung seiner Zusammensetzung in verschiedenen heliografischen Breiten
- Messung der Beschleunigung von energiereichen Teilchen in Sonneneruptionen durch Beobachtung der Röntgenstrahlen- und Teilchenemission in aktiven Regionen der Sonne
- Umfassende Beobachtung von Wellen, Schockfronten und anderen Störungen im Sonnenwind
- Messung der Dichte des interplanetaren Staubes in verschiedenen heliografischen Breiten
- Messung der noch nie zuvor erfassten kosmischen Strahlung über den Polen der Sonne
- Messung der neutralen Komponenten des interstellaren Gases im Bereich der Heliosphäre
- Erfassung von Gammastrahlenquellen um sie mit beobachtbaren Objekten auf der Sonnenoberfläche in Verbindung bringen zu können
- Suche nach den geheimnisvollen Gravitationswellen mit Hilfe der Funkverbindung von Ulysses zur Erde.

Ulysses musste ein sogenanntes Swing-By-Manöver am Planeten Jupiter ausführen, um von dessen starken Gravitationskräften aus der Ebene der Ekliptik herausgeschleudert zu werden. Bahntechnisch betrachtet ergab sich dadurch jedes Jahr nur ein Startfenster für jeweils gut zwei Wochen. Nach dem Besuch des Planeten Jupiter erforschte Ulysses die Sonne bis zum 01. Juli 2008.

Nachdem sowohl die Mannschaft im Orbiter als auch die Teams am Boden die Checklisten für die Ulysses-Sonde selbst, die IUS-Oberstufe sowie PAM-S erfolgreich abgearbeitet hatten, manövrierten Richard Richards und Robert Cabana die Discovery in eine vorher festgelegte Position im Raum, um präzise Navigationsdaten gewinnen zu können, mit denen die IUS noch versorgt werden musste. Dann brachten der Kommandant und sein Pilot den Orbiter in die sogenannte "Deploy Attitude", also die für das Aussetzen erforderliche Lage im Raum. Mit Hilfe der Montagestruktur wurde die gewaltige Kombination aus IUS, PAM-S und Ulysses bis auf 29 Grad aus dem Frachtraum der Discovery herausgeschwenkt. In dieser Position wurden die letzten Verbindungen zwischen dem Orbiter und der Nutzlast gekappt. Die Kommunikation lief ab jetzt nur noch per Funk. Anschließend wurde das Gespann weiter bis auf 58 Grad aus dem Frachtraum geschwenkt. Thomas Akers bediente schließlich den Schalter, der die Trennung von der Montagestruktur auslöste. Kleine vorgespannte Federn schoben nun die 20 Tonnen schwere Nutzlast aus dem Frachtraum. Zwei Triebwerkszündungen durch Richard Richards vergrößerten rasch den Abstand zwischen den beiden Raumflugkörpern. Die Discovery drehte dem Gespann die Unterseite zu, um vor den Treibstoffabgasen geschützt zu sein.

Nachdem dieser wichtigste Programmpunkt des Fluges von STS-41 erledigt war, konnten sich die Astronauten den sekundären Experimenten im Frachtraum und im Mitteldeck widmen:

"Shuttle Solar Backscatter Ultraviolett Instrument" (SSBUV-02): Es hat die Aufgabe, die Ozonschicht der Erdatmosphäre zu untersuchen. Sinn und Zweck des Experimentes ist die Eichung von Instrumenten an Bord der Satelliten NOAA-9 und NOAA-11. Bei STS-41 konnten bis zu 17-mal pro Tag entsprechende Messungen vorgenommen werden. SSBUV war in zwei GAS-Kanistern im Frachtraum untergebracht.

"INTELSAT Solar Array Coupon" (ISAC): Es ging um den Test, wie Solarzellenflächen der INTELSAT-Nachrichtensatelliten sich bei längerem Aufenthalt in einer niedrigen Erdumlaufbahn verändern. Es sollte herausgefunden werden, wann sich Rettungsmissionen für gestrandete Satelliten nicht mehr lohnen.

"Chromosome and Plant Cell Division in Space" (CHROMEX-02): 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. Hintergrund war die Idee, dass auf Raumstationen frisches Gemüse in speziellen Mikrogärten aufgezogen werden könnte. Das Experiment war bereits bei STS-29 an Bord.

"Solid Surface Combustion Experiment" (SSCE-01): Mit diesem Experiment sollte das grundsätzliche Verhalten von offenem Feuer unter Mikrogravitation anhand der Flammenausbreitung über festen Brennstoffen untersucht werden. Hierbei ging es auch um die Brandbekämpfung an Bord von Raumschiffen oder Orbitalstationen. Das Experiment bestand aus einer verschlossenen Kammer, in der Proben aus Filterpapier und Plexiglas verbrannt werden konnten. Die Astronauten berichteten, dass die Flammen in der Schwerelosigkeit unregelmäßig aufflammten, um schließlich ganz abzusterben.

"Physiological Systems Experiment" (PSE-01): Hintergrund des Experiments war die Frage, ob bei der Anpassung menschlicher und tierischer Organismen an die Schwerelosigkeit auftretende Symptome wie z.B. Verlust des Knochen- und Zellgewebes, Schwächung des Immunsystems, Schwächung der Kreislauforgane Veränderungen bei bestimmten Krankheiten entsprechen. Für das Experiment wurden im Mitteldeck 16 Ratten mitgeführt. Die Hälfte davon hatte vor dem Start ein Medikament gespritzt bekommen.

"Investigations Into Polymer Membrane Processing" (IPMP-02): Das bereits bei STS-31 mitgeführte Experiment diente der Untersuchung bestimmter Prozesse zur Herstellung von halbdurchlässigen Membranen aus Polymeren, wie sie industriell zur Stofftrennung eingesetzt werden.

"Voice Command System" (VCS-01): Es war ein erster Test zur sprachgestützten Steuerung der CCTV-Kamera im Frachtraum des Orbiters. Das System war in der Lage, 31 verschiedene Kommandos zu verstehen. Für STS-41 war es an die Stimmen von Bruce Melnick und William Shepherd angepasst worden.

"Radiation Monitoring Experiment" (RME-III-02): Das war ein Handgerät zur Messung ionisierender Strahlung im Innern der Mannschaftskabine. Mit ihm konnte die Strahlenbelastung der Astronauten während des Fluges ermittelt werden. Das System flog zuletzt bei STS-31.

"Air Force Maui Optical System" (AMOS-06): 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.

Daneben wurde während des Fluges ein Video zu Ausbildungs-Zwecken erstellt, mit dem bei Schülern die Faszination für die Raumfahrt geweckt werden soll.