Start von Cape Canaveral (KSC); Landung auf der Edwards AFB. Wegen Ausfall des mittleren Triebwerks beim Start wurde die geplante Bahnhöhe von 400 km nicht erreicht, dennoch war es eine stabile Umlaufbahn. Ein erster Startversuch am 12. Juli 1985 wurde drei Sekunden vor dem Abheben abgebrochen, weil ein Kühlventil im Triebwerk 2 des Space Shuttles nicht funktionierte. Der Start am 29. Juli 1985 wurde wegen eines Problems mit der Datenkommunikation um 97 Minuten verzögert.

STS-51F war der dritte Einsatz des Raumlabors Spacelab (Mission SL-2). Bei dieser Mission kam jedoch nur das kurze Modul zum Einsatz. Zusätzlich war allerdings eine Außenpalette mit automatisch ablaufenden Experimenten montiert. Außerdem erfolgte bei STS-51F der erste Einsatz des "Instrument Pointing System" (IPS) der Firma Dornier zur präzisen Ausrichtung von astronomischen Teleskopen. Das Aussetzen und Wiedereinfangen der Plattform PDB gehörte ebenso zu dem Aufgaben der Besatzung.

Die Mannschaft führte Experimente auf den Gebieten Lebenswissenschaften, Plasmaphysik, Astronomie, Astrophysik, Atmosphären- und Sonnenforschung und weitere technische Forschungen durch. Die geplante Missionsdauer wurde um einen Tag verlängert.