Start erfolgte von Cape Canaveral (KSC). STS-51F landete auf der Edwards AFB, Runway 17.

Der Start war für den 12. Juli 1985 angesetzt. Der Countdown war völlig problemlos verlaufen. Die drei Haupttriebwerke der Challenger zündeten wie geplant, jedoch schaltete der Computer die Triebwerke bei T-3 Sekunden wieder ab. Später stellte sich heraus, dass ein Kühlventil im Triebwerk 2 des Space Shuttle nicht richtig funktioniert hatte. Zum zweiten Mal nach STS-41D war es damit zu einem Startabbruch auf der Startrampe nach Zündung der Haupttriebwerke gekommen. Sofort aktivierte sich das Löschsystem der Startplattform und überschüttete das Heck der Challenger mit zwei Millionen Litern Wasser. Innerhalb weniger Sekunden schwang der "Orbiter Access Arm" in seine Position an der Ausstiegsluke. Bereits eine halbe Stunde später konnten die Astronauten das Raumschiff wieder verlassen.

Der Start am 29. Juli 1985 wurde wegen eines Problems mit der Datenkommunikation um 97 Minuten verzögert. Nach einer Flugzeit von fünf Minuten und 45 Sekunden schaltete sich das mittlere Haupttriebwerk des Space Shuttles aufgrund des Ausfalls zweier Temperatursensoren ab. 8 Minuten nach dem Start stand nach Problemen mit zwei weiteren Sensoren auch das rechte Haupttriebwerk kurz vor der Abschaltung, welche den Abbruch der Mission erzwungen hätte. Dies wurde durch das rasche Eingreifen der Bodenkontrolle verhindert, welche die automatische Triebwerksabschaltung vorübergehend deaktivierte. Aufgrund des Triebwerkausfalls konnte die geplante Flughöhe nicht erreicht werden. Das Raumfahrzeug befand sich jedoch in einer stabilen Umlaufbahn. Dieser Vorfall war der einzige "Abort to orbit" des Shuttle-Programms und das einzige Versagen eines Haupttriebwerks während des Fluges. Beim Ausfall des zweiten Triebwerks vor T+6 Minuten hätte das Shuttle weder eine Umlaufbahn noch einen Notlandeplatz in Europa erreichen können. Es wäre dann nur eine Notwasserung im Atlantik in Betracht gekommen, die nach Einschätzung der NASA als nicht überlebbar galt.

Die Missionsleitung erarbeitete in der Folge einen neuen Flugplan, welcher 17 zusätzliche Erdumkreisungen vorsah. Trotz der Schwierigkeiten beim Start konnten alle vorgesehenen Ziele erreicht werden. Die bei allen Spacelab-Missionen übliche Einteilung in zwei 12-Stunden-Schichten blieb von den Startschwierigkeiten unberührt. Zur roten Schicht gehörten Roy Bridges, Karl Henize und Loren Acton, während die blaue Schicht von Story Musgrave, John-David Bartoe und Anthony England gebildet wurde. Kommandant Gordon Fullerton gehörte keiner Schicht an, sondern kümmerte sich in erster Linie um die weiteren Bahnänderungsmanöver. Zunächst musste die Umlaufbahn noch angehoben werden, jedoch sollte auch genug Treibstoff für die Experimente vorhanden sein. Schließlich wurde eine fast kreisförmige Umlaufbahn von 314,6 x 316,4 km erreicht. Geplant war ein Orbit von 383 km.

STS-51F markierte den dritten 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. Zunächst konzentrierte sich die Aufmerksamkeit der Mannschaft auf das unter Federführung der deutschen Firma Dornier gebaute "Instrument Pointing System" (IPS). Dabei handelte es sich um ein hochpräzises Ausrichtsystem, das Instrumente auf einer Bogensekunde genau ausrichten und nachführen kann. Bei STS-51F, dem Erstflug von IPS, waren drei Experimente zur Sonnenbeobachtung und zur Erforschung der Erdatmosphäre auf IPS montiert. Ohne Probleme lief das Experiment "High Resolution Telescope and Spectrograph" (HRTS). Fehler in der Computersteuerung traten dagegen beim "Coronal Helium Abundance Spacelab Experiment" (CHASE) auf. Diese konnten jedoch behoben werden. Bei "Solar Ultraviolett Spectral Irradiance Monitor" (SUSIM) kam es zu Kommunikationsausfällen, die aber am zweiten Flugtag behoben werden konnten. Das Experiment "Solar Optical Universal Polarimeter" (SOUP) schaltete sich nach jeder Aktivierung umgehend wieder ab. Erst nach mehreren Flugtagen und Triebwerkszündungen konnte zur Freude des dafür zuständigen Loren Acton auch dieses Experiment aktiviert werden. Probleme bereitete das System IPS aber auch selbst. Zunächst konnte es nicht auf die Sonne ausgerichtet werden. Mit einer zur Challenger übertragenen neuen Steuer-Software gelang auch nur eine Genauigkeit von 10 Bogensekunden. Insgesamt sieben neue Software-Versionen wurden während des Fluges zum Orbiter übertragen. Im weiteren Verlauf des Fluges funktionierte IPS immer besser.

Am dritten Flugtag stand das Aussetzen des "Plasma Diagnostics Package" (PDP) auf dem Programm. Dabei handelt es sich um eine komplexe Anordnung von zahlreichen Sensoren, mit denen die Wechselwirkungen zwischen dem Orbiter und den ihm umgebenden elektromagnetischen Feldern erforscht werden sollten. Das Experiment hatte die Form einer Hutschachtel mit einem Gewicht von rund 285 kg. Seinen Erstflug absolvierte das Gerät mit STS-3. PDP wurde vom Greifarm der Challenger von der Spacelab-Palette, auf der die Versuchsanordnung montiert war, abgehoben und in Aussetzposition gebracht. Dann wurde ein Drehmomentenrad im Innern von PDP in Rotation versetzt, um später eine Lagestabilisierung zu gewährleisten. Nach dem Aussetzen rotierte PDP mit 5 Umdrehungen pro Minute. In der Folgezeit umrundete Gordon Fullerton PDP zweimal mit dem Shuttle. Dabei wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Nach Abschluss aller Experimente wurde das Drehmomentenrad wieder auf den Ausgangswert beschleunigt, sodass PDP seine Längsachsenrotation beendete. Nach einer Freiflugzeit von gut 6 Stunden wurde PDP vom Greifarm der Challenger erfasst und schließlich wieder auf der Spacelab-Palette befestigt.

Bisher war es nicht möglich gewesen, Astronauten mit kohlensäurehaltigen Getränken zu versorgen. Vor STS-51F hatte Coca-Cola einen Dispenser entwickelt, der das berühmte Getränk "weltraumtauglich" machte. Der Dispenser bestand aus einer Stahlblechdose mit aufgesetztem Spezialventil, das an einen Rasierschaumspender erinnerte. Fünf Tage nachdem die NASA den Flug dieses Systems genehmigt hatte, kam Pepsi Cola mit einem eigenen Konzept. Beide Systeme wurden bei STS-51F mitgeführt.

Insgesamt 13 Experimente aus den verschiedensten Bereichen der Wissenschaft flogen bei der Mission mit:

"Solar Optical Universal Polarimeter" (SOUP): Das Experiment bestand aus einem Teleskop mit der Möglichkeit zur Bild- und Videoaufzeichnung. Beobachtet wurde die Oberfläche der Sonne in verschiedenen Wellenlängenbereichen sowie mit verschiedenen Polarisationen. Damit sollte das magnetische Feld der Sonne erforscht werden.

"Coronal Helium Abundance Spacelab Experiment" (CHASE): Mit einem an ein Teleskop montiertem Hochleistungsspektrometer wurden anhand der Emissionslinien von Wasserstoff und Helium das genaue quantitative Verhältnis der beiden Elemente ermittelt.

"High Resolution Telescope and Spectrograph" (HRTS): Mit einem Teleskop wurde ultraviolette Strahlung der äußeren Schichten der Sonne eingefangen und zwei Spektrografen zugeführt. So konnten bis zu 2.000 verschiedene Emissionslinien aufgezeichnet werden. Dadurch konnten das Vorkommen und die Verteilung chemischer Elemente in der Sonne bestimmt werden.

"Solar Ultraviolett Spectral Irradiance Monitor" (SUSIM): Das Experiment bestand aus zwei unabhängigen Spektrometern, mit denen die von der Sonne ausgestrahlte Ultraviolettstrahlung im Wellenlängenbereich von 120 bis 400 Nanometern gemessen wurde. Das Experiment flog bereits bei STS-3 mit.

"Plasma Diagnostics Package" (PDP): Mit den zahlreichen Sensoren wurden die Wechselwirkungen zwischen dem Orbiter und der ihn umgebenden elektromagnetischen Feldern untersucht.

"Vehicle Charging and Potential Experiment" (VCAP): Damit sollte bestimmt werden, wie sich das Plasma in der Ionosphäre der Erde verhält, wenn es gestört wird. Zu den Störfaktoren gehörte der Orbiter als auch aktive Emission von Elektronen.

"Plasma Depletion Experiments for Ionospheric and Radio Astronomical Studies": Durch Triebwerksfeuerungen wurden "Löcher" im Plasma der Ionosphäre erzeugt. Der veränderte Zustand des Plasmas wurde mit Radioteleskopen beobachtet.

"Elemental Composition and Energy Spectra of Cosmic Ray Nuclei" (CRN): Dieses "Weltraumei" genannte Experiment hatte einen kuppelförmigen Außenbehälter von 3,66 Metern Höhe und 2,75 Metern Breite. In ihm befanden sich verschiedene Zähler für hochenergetische kosmische Strahlung. Damit sollte der Nachweis schwerer Kerne erbracht werden.

"Hard X-Ray Imaging of Clusters of Galaxies and other Extended X-Ray Sources / X-Ray Telescope" (XRT): Mit zwei Röntgenteleskopen unterschiedlicher Auflösung wurden entfernte Quellen von Röntgenstrahlung wie z.B. Galaxienhaufen erforscht.

"Small Helium-Cooled Infrared Telescope" (IRT): Mit einem Infrarot-Teleskop wurde das gesamte elektromagnetische Spektrum untersucht. Mit diesem Teleskop war es möglich, etwa die Hälfte des Sternenhimmels mindestens zweimal in fünf Spektralbereichen abzutasten.

"Properties of Super-Fluid Helium in Zero-Gravity" (SFHE): Untersucht wurde das "Schwappen" des in einem Gefäß mitgeführten flüssigen Heliums.

"Vitamin D Metabolites and Bone Demineralization": Durch Untersuchung von vor, während und nach dem Flug genommenen Blutproben auf Spuren des Vitamin D sollte herausgefunden werden, ob zwischen dem Vitamin-Stoffwechsel und dem Mineralienverlust aus den Knochen der Astronauten ein Zusammenhang besteht.

"Interaction of Oxygen and Gravity-Influenced Lignification in Higher Plants / Plant Growth Unit" (PGU): Mit diesem Experiment sollten die Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Menge und Geschwindigkeit der Bildung von Lignin in verschiedenen Pflanzenarten im frühen Stadium ihrer Entwicklung untersucht werden. Lignin ist die nach Zellulose am meisten in Pflanzen vorkommende Kohlenstoffverbindung und ist auch für die Form der Pflanzen und die Stabilität des Halmes verantwortlich.