Start von Cape Canaveral (KSC); Landung in Cape Canaveral (KSC). Eigentlich sollte der Start am 23. März 1992 durchgeführt werden. Eine während der Betankung aufgetretene überhöhte Treibstoffkonzentration (Flüssigwasserstoff und -sauerstoff) im Orbiterheck erzwang eine 24-stündige Verschiebung.

Die Mission beförderte das erste Atmospheric Laboratory for Applications and Science (ATLAS-01 - Erdumwelt- und Atmosphärenforschungslabor) auf zwei Spacelab-Paletten in der Ladebucht des Shuttles. Die in der Nutzlastbucht installierte Ladung bestand aus zwölf Instrumenten aus den USA, Frankreich, Deutschland, Belgien, der Schweiz, den Niederlanden und Japan. Es wurden Studien in den Bereichen Atmosphärenchemie, Sonneneinstrahlung, Plasmaphysik und Ultraviolettastronomie durchgeführt. Weitere Forschungsprojekte waren unter anderem das Shuttle Solar Backscatter Ultraviolet Experiment (SSBUV) und das Get Away Special Experiment (GAS).

Bolden und Duffy mussten während dieser Mission mehr als 250 Manöver fliegen, um die Atlantis für die ATLAS-Experimente in die jeweils richtige Position zu bringen. Um alle Experimente durchführen zu können, wurde der Flug um einen Tag verlängert.