欧洲实验室搭乘美国航天飞机
1983年11月28日，哥伦比亚号执行STS-9，把欧洲空间局（ESA）研制的空间实验室送入轨道。这次首飞由美国国家航空航天局（NASA）与欧洲合作组织，首要任务是验证实验室作为航天运输系统组成部分的性能，并利用在轨时间开展多学科研究。
实验室的加压舱和外部实验托盘安装在有效载荷舱内，研究人员可在舱中操作设备，外置仪器则直接观测太空和地球。为支持更长时间的工作，哥伦比亚号增设厨房、乘员睡眠设施和更多低温储箱，并更新燃料电池配置。实验室在整个任务中随轨道器共同飞行和返回。
仪器集成与地面协作
1981年底，各科学团队的实验设备陆续运抵肯尼迪航天中心，实验室舱段和托盘随后到达。马歇尔航天飞行中心与肯尼迪的技术人员把舱内设备装入实验机架，把外置设备集成到托盘上，逐项核验运输后状态、系统接口和运行顺序。
1983年7月，团队从休斯敦的载荷运行控制中心远程操作实验，完成重要的任务序列测试；8月，舱段和托盘装入哥伦比亚号。飞行期间，马歇尔人员与科学家在休斯敦共同监视实验，亨茨维尔运行支持中心提供技术建议。飞船控制、载荷操作和科学判断通过不同地面岗位衔接。
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六人乘组轮班工作
11月28日世界时16时左右，哥伦比亚号从佛罗里达肯尼迪航天中心升空，进入约250公里高、倾角57度的轨道。指令长约翰·杨与驾驶员布鲁斯特·肖负责飞行，欧文·加里奥特和罗伯特·帕克担任任务专家，拜伦·利希滕贝格与乌尔夫·默博尔德担任载荷专家。
六人分为红、蓝两组，实行十二小时轮班，使实验能连续进行。70余项研究涉及大气与地球观测、空间等离子体、材料、天文及生命科学。实际耗电低于飞前估计，消耗品留有余量，任务由原定九天延长为十天；乘员还多次改变姿态和微调轨道，以配合不同仪器的观测条件。
从光谱到晶体生长
天文仪器记录了仙后座A超新星遗迹的X射线谱线，并研究其他银河系X射线源的变化。宽视场紫外相机对十个天体拍摄48幅影像，而远紫外望远镜的胶片出现雾化和过曝问题。仪器表现各异，地面科学家因此需要逐项评估可用资料。
大气观测利用光谱辨认高层大气成分，获得甲烷、水汽等气体的记录。材料实验则在微重力条件下研究晶体生长与液态金属扩散，其中镜面加热装置的结果帮助研究人员把某些硅晶体缺陷与表面张力作用联系起来。生命科学研究考察方向感、视觉和动作反应，并继续收集飞后对照资料。
实时调整与实验条件
人员在轨操作使一些仪器故障能够被排查和修复，科学家也可据即时数据建议重复或修改实验。一次远端数据采集装置异常与冷却液温度相关，团队把运行温度调整到约22摄氏度后，相关设备恢复稳定工作。
航天飞机本身同时影响观测环境。任务初步报告指出，轨道器释出的气体和污染物干扰了部分太阳光谱测量，使某些波段的吸收和数据解释存在不确定性。后来汇总中，大多数学科完成至少八成的科学目标，大气物理与地球观测约完成六成半；各学科的完成程度受到仪器表现和观测条件的不同影响。
延后着陆与飞后评估
12月8日准备返回时，两台通用计算机先后故障，其中一台经重新初始化恢复，另一台停用；一套惯性测量装置也出现问题。地面完成分析后，着陆比原定时间推迟约七小时四十五分钟。哥伦比亚号于世界时23时47分24秒在加利福尼亚爱德华兹空军基地着陆，飞行历时约十天八小时。
着陆后，两台辅助动力装置又先后提前停机，检查发现附近有局部损伤，NASA另组调查团队追查。科学方面，空间实验室带回的仪器记录和样品继续进入各团队的分析工作。STS-9建立了轮班乘组、地面科学家与可重复使用实验设施共同运行的经验，也留下了观测污染、设备可靠性和载荷协调等具体改进问题。