Die neue Raumfähre Atlantis begann ihren Erstflug von Cape Canaveral (KSC). Sie landete nach etwa vier Flugtagen auf der Edwards AFB, Runway 23.

Mit dem zweiten rein militärischen Einsatz eines Space Shuttle flog erstmals der neue Orbiter Atlantis. Ebenso wie bei STS-51C unterlag auch STS-51J der militärischen Geheimhaltung.

Nach den ursprünglichen Planungen der NASA und den militärischen Behörden hätte die Mission bereits im September 1984 unter der Bezeichnung STS-41H starten sollen. Da aber bereits die erste Militärmission wegen verschiedener technischer Schwierigkeiten erst im Januar 1985 im All unterwegs war, verschob sich der zweite Militärflug entsprechend. Als neuer Zeitraum für das Abheben wurde nun der September 1985 ins Auge gefasst. Mit William Pailes sollte der zweite MSE einen Raumflug unternehmen. Der Start war schließlich auf den 03. Oktober 1985 festgesetzt worden und erfolgte mit einer Verspätung von 22 Minuten und 30 Sekunden wegen einer fehlerhaften Anzeige an einer Ventilsteuerung im Bereich der Haupttriebwerke.

Wesentliche Missionsaufgabe war das Aussetzen zweier militärischen Kommunikationssatelliten. Daneben standen noch verschiedene kleinere Experimente auf dem Flugplan. Da der gesamte Flug einschließlich des Sprechfunkverkehrs der Geheimhaltung unterlag, wurden im Vorfeld nur wenige Einzelheiten bekannt. Erst nach Beendigung der Mission gelangten weitergehende Informationen an die Öffentlichkeit. Sogar die genaue Startzeit wurde erst neun Minuten vor dem Abheben veröffentlicht.

Achteinhalb Minuten nach dem Start erreichte die Atlantis die Erdumlaufbahn und öffnete die Frachtraumtüren. Dies geschieht üblicherweise nach 90 Minuten Flugzeit und verhindert die Überhitzung des Orbiters. Die Umlaufbahn war mit etwa 500 Kilometern ungewöhnlich hoch.

Bereits am folgenden Tag erledigte die Besatzung ihre Hauptaufgabe. Die beiden Kommunikationssatelliten DSCS-III-2 und DSCS-III-3 wurden aus der Nutzlastbucht des Orbiters in die Umlaufbahn entlassen. Diese wurden mittels einer IUS-Raketenstufe in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht. Vor der Zündung war die Atlantis in eine sichere Entfernung gebracht worden.
Die beiden Satelliten vom Typ DSCS-III ("Defense Satellite Communication System") dienten der Aufrechterhaltung der Nachrichtenverbindungen der amerikanischen Dienststellen mit den weltweit verteilten Militärstützpunkten. Jeder Raumflugkörper wog 895 Kilogramm, war gut zwei Meter lang und hatte einen Durchmesser von 2,70 Meter. Sie verfügten über sechs Kommunikationskanäle und elektronisch steuerbaren Sende- und Empfangsanlagen. Mit ihnen konnten kleine Gebiete auf der Erde getrennt und zeitlich flexibel abgedeckt werden. Bei dieser Technik sind sehr kleine Bodenanlagen völlig ausreichend. Die Energieversorgung der Satelliten wurde nicht durch Solarzellen, sondern mittels Isotopengeneratoren sichergestellt. Als Material für die Übertragungsleitungen wurde Glasfiber verwendet.

Nach der Erledigung ihrer Hauptaufgabe widmete sich die Besatzung den sekundären Experimenten. Dazu gehörte das von STS-51C begonnene Experiment "Cloud Logic to Optimize the Use of Defense Systems" (CLOUDS). Dabei wurden mit einer herkömmlichen Kamera möglichst viele Wolkenformationen aufgenommen, während der Orbiter sich immer weiter von ihnen entfernte. Die aus verschiedenen Blickwinkeln erstellten Fotos sollten in einer Datenbank zusammengefasst und dem "Defense Meteorological Satellite Program" (DMSP) zur Verfügung gestellt werden.
Mit dem "Biostack Middeck Experiment" (BIOS) wurden die Auswirkungen der hochenergetischen kosmischen Strahlung auf biologische Materialien untersucht.
Der dritte Versuch betraf die Messung der atmosphärischen Strahlung im Innern der Raumfähre durch einen "Solid State Dosimeter". Die Ergebnisse wurden mit einer Spezialkamera aufgezeichnet.

Da jeder neue Orbiter aus Sicherheitsgründen auf der Edwards AFB landen muss und die Atlantis auch noch kein steuerbares Bugrad besaß, war eine Landung in Florida ausgeschlossen.