STS-41G startete von Cape Canaveral (KSC) und landete auch wieder in Cape Canaveral (KSC), Runway 33.

Bei dieser Mission waren erstmals sieben Astronauten an Bord eines Shuttle und erstmals zwei Frauen gleichzeitig im All. Kathryn Sullivan wurde darüber hinaus die erste amerikanische Astronautin, die eine EVA unternahm. Außerdem flogen erstmals zwei Nutzlastspezialisten gleichzeitig. Robert Crippen unternahm bereits seinen vierten Shuttle-Flug. Er war bewusst in kurzen Zeitabständen nominiert worden, um herauszufinden, wie lang die Vorbereitungszeit eines Kommandanten oder Piloten sein muss. Dies war zur Optimierung der Trainingszyklen erforderlich. Paul Scully-Power war Zivilangestellter der US Navy und ausgebildeter Ozeanograph. Er war bereits bei früheren Shuttle-Missionen für die ozeanographische Forschung aus dem Weltall verantwortlich. Obwohl der gebürtige Australier erst 1982 die amerikanische Staatsbürgerschaft erhielt, bekam er zwei Jahre später eine Einladung der NASA zur Teilnahme an STS-41G.

Zu den Schwerpunkten der Mission gehörte das Aussetzen des US-Sonnenbeobachtungssatelliten ERBS (Earth Radiation Budget Satellite), das Mitführen des "Shuttle Imaging Radar-B" (SIR-B) sowie ein Außenbordeinsatz zum Test von Betankungstechniken in Weltall.

Das Aussetzen des US-Sonnenbeobachtungssatelliten ERBS (Earth Radiation Budget Satellite) war für den ersten Flugtag vorgesehen. ERBS ist der erste von drei geplanten Satelliten, die entwickelt wurden, um die Menge an Energie zu messen, die die Erde von der Sonne erhält und ins All zurückgibt. Außerdem sollten die saisonalen Bewegungen von Energie von den Tropen zu den Polarregionen genauer untersucht werden. Der Satellit wog rund 2,3 Tonnen und sollte mit dem Greifarm der Challenger aus der Ladebucht gehoben werden und danach über ein eigenes Antriebssystem eine höhere Umlaufbahn erreichen. Planmäßig ergriff Sally Ride ERBS mit dem Greifarm und hob ihn soweit aus dem Frachtraum, dass genügend Platz zum Entfalten der beiden Solarzellenflächen vorhanden war. Zunächst entfalteten sich die Solarzellenflächen jedoch nicht vollständig. Man vermutete, dass die Drehgelenke eingefroren waren. Sally Ride sollte die Solarzellenflächen der direkten Sonneneinstrahlung aussetzen und ERBS zusätzlich mit Hilfe des Greifarms durchschütteln. Erst nach dem vierten Schüttelversuch entfalteten sich die Solarzellenflächen vollständig. Danach konnte ERBS ausgesetzt werden. Durch Zündung der eigenen Antriebsraketen wurde danach der Satellit auf einen Orbit von 563 km über der Erde gebracht.

Am Abend des ersten Flugtages begann plötzlich die Ku-Band-Antenne im Frachtraum der Challenger, unkoordiniert in alle Richtungen zu schwenken. Zeitweise ging der Funkkontakt zur Bodenstation verloren und musste über einen anderen Weg hergestellt werden. Der Ausfall der Ku-Band-Antenne bedeutete gerade bei einem datenintensiven Experiment wir SIR-B ein erhebliches Problem, weil an Bord des Orbiters nur begrenzt Daten gespeichert werden können. Ohne funktionierende Ku-Band-Antenne hätte die Mission möglicherweise gleich um mehrere Tage gekürzt werden müssen. Schließlich wurde eine Notlösung umgesetzt. Um wenigstens einmal pro Orbit über die Ku-Band-Antenne senden zu können, wurde diese durch Kappen von Steckverbindungen fixiert. Stattdessen wurde die Raumfähre nachgeführt. Die später von SIR-B gelieferte Datenflut von rund 46 Megabit/sec wurde zwischengespeichert und einmal pro Orbit gesendet. Dazu mussten Robert Crippen und Jon McBride die Lage der Challenger im Raum jeweils langsam anpassen. Dieser notdürftige Datenlink kostete Zeit, Treibstoff und brachte den Flugplan durcheinander.

Noch während der ersten Probleme mit der Ku-Band-Antenne wurde zum ersten Mal die große Antenne des "Shuttle Imaging Radar-B" (SIR-B) entfaltet. Sie bestand aus drei Segmenten, die im Frachtraum so zusammengefaltet waren, dass die beiden äußeren Segmente über dem mittleren zu liegen kamen. Ausgeklappt bildete die Antenne ein längliches Rechteck mit den Ausmaßen 2 x 10 Meter. Nach den ersten Testaufnahmen sollte die Antenne wieder zusammengefaltet werden. Dies funktionierte aber zunächst nicht, weil ein Segment zu weit offenstand und daher der Verschluss nicht einrasten konnte. Sally Ride drückte mit dem Greifarm der Challenger solange auf das Segment, bis der Verschluss einrastete.
Durch die Probleme mit der Ku-Band-Antenne konnte SIR-B statt der geplanten 50 Stunden Beobachtungszeit nur neun Stunden genutzt werden. SIR-A war bereits bei der Mission STS-2 mitgeflogen. Die damaligen Aufnahmen hatten zu sensationellen Entdeckungen in der östlichen Sahara geführt. Beim jetzigen Flug standen die Wüstengebiete der Erde im Fokus. Dazu zählten Gegenden in China, Indien, das südwestliche Afrika, Zentralaustralien, die Westküste von Peru und die kalifornische Mojave-Wüste.

Ein weiterer Höhepunkt des Fluges war der Außenbordeinsatz durch Kathryn Sullivan und David Leestma am 11. Oktober 1984 (3h 29m). Ziel war der Test einen Satellitenbetankung im Orbit, da ansonsten intakten Satelliten oft nur der Treibstoff für die Lageregulierungstriebwerke ausgeht und der Betrieb eingestellt werden muss. Für diese Tests führte die Challenger im Frachtraum das "Orbital Refueling System" (ORS) mit. Damit sollten Shuttle-Astronauten in der Lage sein, bis zu 250 kg Hydrazin in einen geborgenen Satelliten zu übertragen. Für Simulationszwecke standen in zwei Tanks etwa 32 kg Treibstoff zur Verfügung, die hin und her gepumpt werden sollten. David Leestma hatte die Aufgabe, eine flexible Betankungsleitung an den "Satelliten" anzubauen. Dazu musste er ein Kugelventil in dessen Betankungsplatte einbauen. Kathryn Sullivan reichte ihm die benötigten Werkzeuge und fotografierte die Vorgänge. Zum Ende ihrer Arbeiten führten die Astronauten noch einen Drucktest durch. Aus Sicherheitsgründen - Hydrazin ist sehr giftig - sollte der Treibstofftransfer erst nach dem Ende der EVA vorgenommen werden. Schließlich untersuchte Kathryn Sullivan die korrekte Verriegelung an Antennen von SIR-B. Da die Stromkabel zur Ku-Band-Antenne gekappt worden waren, musste David Leestma die Antenne von Hand in die für die Rückkehr zur Erde erforderliche Ruhestellung bringen. Der Treibstofftransfer am letzten Flugtag verlief erfolgreich.

Zu den weiteren Aufgaben gehörte die wissenschaftliche Erdbeobachtung mit dem Office of Space and Terrestrial Apllications-3 (OSTA-3) Pallet und der Large Format Camera (LFC) sowie Experimente auf den Gebieten Biologie und Physik. Andere Payloads waren: IMAX Camera, die zum dritten Mal zum Einsatz kam, das kanadische CANEX-Programm, das Auroral Photography Experiment (APE), das Radiation Monitoring Equipment (RME), der Thermoluminiscent Dosimeter (TLD) und acht Get Away Specials. Der während der Mission erstellte Film (einschließlich der EVA durch Kathryn Sullivan und David Leestma) wurde später als IMAX-Film mit dem Titel "The Dream is Alive" in den Kinos gezeigt.

Marc Garneau, der erste Kanadier im All, arbeitete an Experimenten, die von der kanadischen Regierung finanziert und unter dem Namen CANEX geführt wurden, auf den Gebieten medizinische, atmosphärische, klimatische, Material- und Computerwissenschaften.