STS-30 startete von Cape Canaveral (KSC) und landete nach vier Flugtagen auf der Edwards AFB, Runway 22.

Ein erster Startversuch am 28. April 1989 musste bei T-31 Sekunden abgebrochen werden, weil sich in der Umwälzpumpe des Haupttriebwerkes Nr. 1 (SSME#1) ein Kurzschluss ereignet hatte. Außerdem stellten die Techniker in der Wasserstoff-Rückflussleitung zwischen Orbiter und dem externen Tank ein Leck fest. Da auf Cape Canaveral keine Ersatzpumpe vorrätig war, musste diese beim Hersteller in Palmdale angefordert werden. Rockwell entnahm die Pumpe der gerade im Bau befindlichen Endeavour. Nach den Reparaturarbeiten wurde der Start auf den 04. Mai 1989 festgesetzt. Wegen Regens und Seitenwinden verzögerte sich an diesem Tag der Abflug nochmals um rund eine Stunde. Der Start erfolgte schließlich nur fünf Minuten vor Ende des Startfensters.

Hauptaufgabe dieser Mission war das Aussetzen der Venus-Sonde Magellan. Der Start von STS-30 musste innerhalb eines zeitlich sehr eng begrenzten Startfensters erfolgen. Für den Flug zur Venus standen aus bahntechnischen Gründen nur 31 Tage zur Verfügung (vom 28. April 1989 bis zum 28. Mai 1989), wobei sich das Fenster am ersten Tag lediglich für 18 Minuten öffnete und in den Folgetagen langsam größer wurde.

Direkt nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn und dem Öffnen der Frachtraumtüren begannen die Vorarbeiten für das Aussetzen der Magellan-Sonde. Sie besaß eine Gesamtlänge von 6,40 Meter (ohne IUS-Oberstufe) und ihre Masse betrug inklusive Treibstoff 3.475 kg. Zwei Solarzellen mit je 6,3 Quadratmetern Fläche lieferten 1,2 kW Energie. Durch die Solarflächen brachte es die Sonde auf 9,33 Meter Spannweite. Ausgestattet war sie mit einem "Radar mit synthetischer (also künstlich aufgeweiteter) Öffnung". Die damit gewonnenen zahlreichen Daten müssen mit einem leistungsfähigen Computer auf der Erde zu einem Bild zusammengesetzt werden. Das Radarsystem war erforderlich, weil die Venus eine mit optischen Systemen nicht zu durchdringenden Wolkendecke hat. Für den Einschuss in die Transferbahn zur Venus war eine zweistufige "Inertial Upper Stage" (IUS) erforderlich. Die IUS hatte eine Länge von 5,18 Meter bei einem Durchmesser von 2,82 Metern. Sie brachte es auf eine Masse von 14,7 Tonnen. Um Magellan auf den Weg zur Venus zu beschleunigen, musste die erste Stufe 150 Sekunden und die zweite Stufe 108 Sekunden brennen.
Das für den Betrieb von Magellan zuständige Jet Propulsion Laboratory (JPL) stellte den notwenigen Funkkontakt her und bestätigte, dass sich die Sonde in ausgezeichneten Zustand befand. Dann wurde das Gespann Magellan/IUS um 29 Grad in der Nutzlastbucht der Atlantis aufgerichtet. In einem weiteren Schritt hob Mark Lee die Sonde bis zu ihrem Aussetzpunkt bei 52,7 Grad weiter an. Schließlich wurden die Befestigungen an der Haltestruktur gelöst und das Gespann per Federkraft aus dem Frachtraum geschoben. Auch die Solarzellenflächen entfalteten sich wie vorgesehen. Für den Fall unerwarteter Schwierigkeiten waren Norman Thagard und Mark Lee auf eine Notfall-EVA vorbereitet, die aber nicht notwendig wurde. David Walker und Ronald Grabe zündeten daraufhin kurz die Triebwerke der Atlantis, um einen entsprechenden Sicherheitsabstand zu gewinnen. Außerdem drehte der Orbiter dem Gespann die Unterseite zu, um ihn vor Verunreinigungen durch Treibstoffabgase zu schützen. Die Zündung der IUS-Oberstufe erfolgte später planmäßig und brachte Magellan auf den Weg zur Venus. STS-30 war damit die erste Mission, bei der das Space Shuttle dazu genutzt wurde, eine interplanetare Raumsonde zu starten.

In den verbleibenden Tagen widmete sich die Besatzung den sekundären Middeck-Experimenten:

"Mesoscale Lightning Experiment" (MLE): Ziel des Experiments war es, auf der Nachtseite der Erde Aufnahmen von Blitzen zu machen. Es sollte herausgefunden werden, wie sich Blitzentladungen gegenseitig beeinflussen. Neben einer Videokamera in der Ladebucht kam eine 35-mm-Kamera mit hochempfindlichem Film (400 ASA) zum Einsatz. Das Experiment sollte der Entwicklung eines Blitz-Erfassungs-Sensors dienen. Bereits bei STS-26 flog MLE mit.

"Fluids Experiment Apparatus" (FEA): Das Experiment stellt eine Art universell einsetzbares Labor für verschiedene kommerzielle material-technologische Versuche (Kristallwachstum, Fluid-Physik, Thermodynamik, chemische Untersuchungen von Flüssigkeiten und Gasen) dar. Die Proben können erhitzt, erstarrt, vermischt und in einer Zentrifuge beschleunigt werden. Der Versuchsablauf umfasste das Erhitzen von fünf Materialproben durch eine ringförmige Heizspirale, die langsam auf der Oberfläche verschoben wurde. Das polykristalline Material wird dabei geschmolzen und kühlt hinter der Heizspirale als Monokristall wieder ab. Auf diese Weise können besonders reine Monokristalle hergestellt werden. Zuständig für die Betreuung von FEA war Mary Cleave.

"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. Das System war zuletzt beim Flug STS-29 eingesetzt worden.

Am vierten Flugtag fiel einer der fünf "General Purpose Computer" (GPC) aus. Zwar hätte der Weiterflug und die Landung auch mit vier funktionierenden GPCs erfolgen können, jedoch bestand die Missionskontrolle auf einen Austausch während des Fluges. Ein kompletter Reserve-Computer befand sich mit Mitteldeck. Der Austausch dauerte gut vier Stunden.

Bei der Landung auf der Edwards AFB musste David Walker wegen wechselnder Windverhältnisse 13 Minuten vor dem Aufsetzen die Anflugrichtung wechseln.