第三批乘员的长程任务
太空实验室4号的三名乘员都是首次进入太空：指令长杰拉尔德·卡尔、科学驾驶员爱德华·吉布森与驾驶员威廉·波格。美国国家航空航天局为他们安排了原定56天、可延至84天的任务，继续研究人体对失重的适应，并利用站上仪器开展太阳和地球观测。
三人在休斯敦练习交会、对接与返回程序，又到亨茨维尔的水槽演练舱外活动。临近发射时，土星IB火箭一级尾翼发现裂纹，技术人员在发射台更换全部八片尾翼，发射日期随之推迟。1973年11月16日，改装的阿波罗指令与服务舱从肯尼迪航天中心39B发射台升空，报告记录的时间为格林尼治时间14时01分23秒，即当地东部标准时9时01分23秒。
对接之后先让设备运转
飞船接近已经在轨的空间站后，两次对接尝试未成功。卡尔后退并重新接近，约在发射八小时后完成硬对接。乘员随后逐步启用舱内系统，并补充气闸舱主冷却回路的冷却剂。初期的不适和繁琐整理工作，使实际进度落后于地面计划。
11月22日，波格和吉布森出舱，为阿波罗望远镜架上的相机更换胶片，并检查地球观测微波仪器的故障天线。两人相互支撑，在缺少固定点的位置打开设备。他们未能恢复全部动作，却通过锁定一个转轴、绕过故障电路，让天线重新进行横向扫描。科学观测依赖的也是这样的现场维修。
为十二周飞行寻找工作节奏
地面规划人员参照上一批乘员的高强度进度安排任务，但卡尔一行希望保持适合更长飞行的节奏。失重中移动、取放工具、整理舱室和抄入程序修订，都比计划耗时；他们还把每天每人的锻炼时间增加到约一个半小时。
任务报告指出，地面和乘员事先对工作方式缺乏充分沟通，早期实验时间目标偏高。计划因此逐步下调。12月30日，卡尔与地面联络员理查德·特鲁利进行长谈，讨论锻炼后的整理、睡前安静时间，以及不受严格时刻限制的工作能否由乘员自行安排。此后的协调更为顺畅，任务延长也继续依据人员和设备状况评估。
太阳活动和地球景象
失去一个控制力矩陀螺后，空间站转向受到更多限制。休斯敦与亨茨维尔的工程人员重新计算姿态调整和燃料消耗，每日实验安排也须经过更细致检查。乘员则持续用太阳望远镜、地球资源观测仪器和手持相机采集资料。
第三次访问的任务报告记录，地球资源实验组合完成39次全套仪器参与的数据采集航过，另有校准等专门航过；乘员还作了约850次目视观察，拍摄2000余张地球照片。太阳观测中，吉布森长时间等待活跃区变化，1974年1月21日终于记录到耀斑上升阶段。人员在现场判断与仪器连续记录相互配合。
把太阳仪器转向彗星
科胡特克彗星的出现，为任务增加了临时目标。研究与工程团队准备专用滤光片、相机支架和胶片，并把空间站观测纳入地面、火箭、气球及其他航天器共同参与的计划。12月25日和29日的两次舱外活动，也安排了彗星摄影。
其中一项后续成果来自美国海军研究实验室的S082B紫外光谱仪。H. U. Keller等人在1975年论文中分析了1973年12月29—31日的三次曝光，测定彗星氢莱曼α发射线的宽度；结合对光学厚度的近似处理，结果与每秒约8至10公里的氢外流速度相符。作者同时说明信噪比和定标限制，所得资料尚不足以完整确定谱线形状。飞行中的曝光，经过返航后的测量与分析，才成为这项天体物理结果。
返回与资料移交
任务后期，乘员回收外部胶片和实验样品，关闭空间站系统，并把带回地球的物品装入指令舱。1974年2月8日约格林尼治时间10时28分，飞船与空间站分离，绕飞检查后返回。任务报告给出的溅落时间是同日15时16分54秒，地点在圣迭戈西南约289公里的太平洋海域。
从发射至溅落，飞行持续84天1小时15分31秒。乘员留在指令舱内，由“新奥尔良”号回收后接受医学检查。飞行结束，胶片、磁带和生物样品的分析继续展开；这次任务也留下了关于长时间在轨操作、可维修设备以及乘员与地面协商方式的具体经验。