STS-7 begann seinen Aufstieg in die Erdumlaufbahn von Cape Canaveral (KSC) aus. Die Raumfähre landete auf der Edwards AFB, Runway 15.

Sally Ride wurde die erste Amerikanerin im All. Erstmalig war eine Crew von fünf Astronauten im All.

Die Nutzlast bestand aus den Kommunikationssatelliten Anik C-2 für die kanadische Telesat und Palapa-B1 für Indonesien. Beide Nachrichtensatelliten waren von der Firma Hughes gebaut und in der Ladebucht der Challenger untergebracht. Montiert waren sie auf einer stabilen Trägerstruktur mit einem Drehteller und einem Federmechanismus. Die Trägerstruktur war von weißen Schutzschilden umgeben.
Neun Stunden nach dem Start des Space Shuttle begann der Aussetzvorgang für den kanadischen Nachrichtensatelliten Anik C-2. Zuerst wurde die Challenger in die für das Aussetzen notwendige Position gebracht. Danach wurden der Satellit und seine Oberstufe vom Typ "Payload Assist Module" (PAM) aktiviert. Danach versetzten kleine Elektromotoren den Satelliten in eine Längsachsenrotation von 50 Umdrehungen pro Minute, um ihm Stabilität zu geben. Schließlich wurden vom Flight Deck des Shuttle aus kleine Sprengladungen gezündet, die vier Federn freigaben und Anik C-2 mit 0,8 m/s aus der Ladebucht herausschoben. Sofort danach wurde die Challenger in eine sichere Entfernung gebracht und mit der Unterseite zum ausgesetzten Satelliten gedreht, um sie vor Verunreinigungen durch Verbrennungsgase zu schützen. Nach der Zündung der PAM-D-Oberstufe und des satelliteneigenen Antriebs ("Apogee Kick Motor") erreichte Anik C-2 den vorgesehenen geostationären Orbit.
Am folgenden Tag setzte die Mannschaft den indonesischen Nachrichtensatelliten Palapa B-1 nach dem gleichen Verfahren in eine eigene Umlaufbahn aus. Auch er erreichte durch Zündungen der PAM-D-Oberstufe und des satelliteneigenen Antriebs die geplante geostationäre Erdumlaufbahn.

Eine weitere wichtige Nutzlast war die in Deutschland gebaute Freiflugplattform "Shuttle Pallet Satellite" (SPAS). Hierbei handelte es sich um eine Experimentierplattform die von der deutschen Firma Messerschmitt-Bölkow-Blohm entwickelt wurde. Die sechs Meter lange und einen Meter breite Plattform ist wiederverwendbar und kann eine bis zu 40 Stunden dauernde Freiflugphase durchführen. Die Plattform enthielt zehn Experimente. Unter anderem wurde das Verhalten von Metalllegierungen in der Schwerelosigkeit untersucht und es wurden Experimente mit Wärmerohren durchgeführt. Zu den materialwissenschaftlichen Experimenten gehörte auch MAUS-1 mit verschiedenen Einzelexperimenten.
Bei STS-7 wurde SPAS-01, so die offizielle Bezeichnung, in drei Betriebsarten eingesetzt. Zuerst wurde der Satellit im sogenannten "Sortie Mode" eingesetzt, das heißt er blieb fest in der Ladebucht verankert. Dabei wurde der Satellit gründlichen Tests unterzogen. Auch wurden bereits einige der wissenschaftlichen Experimente aktiviert. Am 22. Juli 1983 hoben Sally Ride und John Fabian SPAS-01 mit Hilfe des Shuttle-Greifarmes aus der Ladebucht heraus und entließen ihn in eine eigene Umlaufbahn. Damit war erstmals mit Hilfe des Greifarmes eine Nutzlast in den Weltraum ausgesetzt worden. SPAS-01 entfernte sich in der Folgezeit bis zu 305 Meter von der Challenger. Robert Crippen und Frederick Hauck führten über längere Zeit einen Formationsflug durch, in dem sie den Abstand gleich hielten. Das Verfahren war als Test für geplante Rendezvous-Manöver z.B. zur Bergung gestrandeter Satelliten gedacht. Nach der Wiederannäherung ergriff Sally Ride SPAS-01 mit dem RMS des Orbiters. Nach dem der Satellit im Schatten der Challenger abgekühlt war, wurde er erneut ausgesetzt und diente als Übungsobjekt für Formationsflüge, Annäherungstests, Aufnehmen und Aussetzen mit dem Greifarm. Nach neuneinhalb Stunden wurde der Satellit endgültig wieder in der Ladebucht verstaut. Am Folgetag wurde SPAS-01 in seiner dritten Betriebsart getestet. Er wurde mit dem Greifarm aus der Ladebucht gehoben, blieb mit diesem jedoch fest verbunden. In der Folgezeit wurde der belastete RMS während kurzer Zündungen der Lageregelungstriebwerke getestet. Dabei konnte die Stabilität des Greifarmes getestet werden.

Sieben weitere Experimente wurden in sogenannten Getaway-Spezialbehältern durchgeführt, die in der Nutzlastbucht installiert waren. Dies sind spezielle Behälter, die einfache, selbständig ablaufende Experimente mit in den Raum nehmen können. Einer der Behälter enthielt eine Ameisenkolonie, deren Sozialverhalten in der Schwerelosigkeit untersucht wurde. Dazu kamen noch u.a. ein Elektrophorese-Experiment und das MLR-Experiment.
Der Arzt Norman Thagard beschäftigte sich während des Flug fast ausschließlich mit der Erforschung der Raumkrankheit ("Space Adaption Syndrome"). Dazu führte er sowohl an sich selbst wie auch an seinen Astronautenkollegen medizinische Experimente durch. Dazu gehörten Messungen des Flusses der Körperflüssigkeiten bei Schwerelosigkeit, des Druckanstieges im Innern des Kopfes sowie eine Überprüfung der Augenbewegungen und der optischen Wahrnehmungen.

Die vorgesehene erste Landung auf der neuen Landebahn des Kennedy Space Centers konnte wegen schlechten Wetters nicht durchgeführt werden. Die Challenger musste zur Edwards AFB umgeleitet werden.