Der zweite Flug der Discovery begann von Cape Canaveral (KSC). Knapp acht Tage später landete der Orbiter wieder in Cape Canaveral (KSC), Runway 15.

Beim ursprünglichen Starttermin am 07. November 1984 musste der Countdown bei T-20 Minuten abgebrochen werden, weil sich die Wetterlage in der oberen Atmosphäre verschlechtert hatte.

Missionsschwerpunkte waren das Aussetzen der beiden Kommunikationssatelliten Anik D2 (Canada) und Syncom IV-2/Leasat 2 (US Navy) sowie die Bergung der während des Fluges von STS-41B gestrandeten Nachrichtensatelliten Westar-VI (USA) und Palapa B2 (Indonesien). Die Satelliten waren hoch versichert. Nach dem Verlust mussten die Versicherungsgesellschaften den Betreibern Entschädigungen zahlen. Im Gegenzug ging das Eigentum an den Satelliten an die Versicherungen über. Um den Verlust wenigstens teilweise auszugleichen, finanzierten sie einen Bergungsversuch durch die NASA.

Am ersten Flugtag wurden die Experimente mit Mitteldeck aktiviert. Das "Radiation Monitoring Equipment" (RME) diente der Messung von Strahlungswerten in der Mannschaftskabine des Shuttle. Anna Fisher testete die Funktionsfähigkeit des Shuttle-Greifarms. Am nächsten Tag wurde die Flugbahn der Discovery so angehoben, dass sie optimal auf das Aussetzen der Nachrichtensatelliten vorbereitet war. Hersteller beider Satelliten war die Firma Hughes.

Zunächst wurde an diesem zweiten Flugtag Anik D2 ausgesetzt. Dieser Vorgang war während der vergangenen Shuttle-Flüge schon weitgehend zur Routine geworden. Nachdem der Satellit in eine Längsachsenrotation von 50 Umdrehungen pro Minuten gebracht worden war, wurde er mit Federkraft langsam aus der Nutzlastbucht des Orbiters geschoben. Etwa 45 Minuten später zündete die Oberstufe vom Typ PAM-D erfolgreich. Schließlich brachte der satelliteneigene "Perigee Kick Motor" Anik D2 auf den Weg zur geplanten geostationären Umlaufbahn.

Am dritten Flugtag folgte das Aussetzen von Syncom IV-2/Leasat 2. Er gehörte zwar der Hughes Aircraft Corporation, jedoch wurde seine gesamte Übertragungskapazität an die US Navy vermietet. Die Syncom-Satelliten waren speziell auf das Aussetzen von Bord eines Space Shuttle konzipiert. Mit einem Durchmesser von 4,26 Meter füllten sie den Frachtraum nahezu komplett aus. Die Höhe des Satelliten betrug mit eingefahrenen Antennen 2,85 Meter. In ausgeklapptem Zustand erreichte der Körper eine Höhe von 6,17 Meter. Für den Antrieb verfügte der Satellit sowohl über ein Apogäums-Triebwerk als auch über einen integrierten "Perigee Kick Motor". Für die Syncom-Satelliten wurde das sogenannte "Frisbee Deployment" angewandt. Dabei versetzte ein Set vorgespannter Federn den Satelliten nicht nur in eine Translationsbewegung hinaus in den Frachtraum, sondern gleichzeitig in eine langsame Längsachsenrotation. Etwa 45 Minuten später zündete der "Perigee Kick Motor" und beförderte den Nachrichtensatelliten in Richtung geostationäre Umlaufbahn.

Zur Vorbereitung der Satellitenbergung hoben Frederick Hauck und David Walker die Umlaufbahn der Discovery auf 350 bis 360 km an. Pro Stunde näherte sich der Orbiter nun den beiden gestrandeten Satelliten um 315 km. Nach weiteren Bahnänderungsmanövern am vierten und fünften Flugtag erreichte der Raumgleiter die beiden Satelliten. Zuerst war die Bergung von Palapa B2 vorgesehen.
Hierzu unternahmen Joseph Allen und Dale Gardner am 12. November 1984 eine erste EVA (6h 00m). Mit dem MMU flog Joseph Allen zu dem jetzt nur noch wenige Meter entfernten Satelliten. Mit dabei hatte er eine "Apogee Kick Motor Capture Device". Das war ein lanzenartiges Gerät mit dem Namen "Stinger", das in die Düse des Apogäumsmotors eingesetzt wurde, um die Rotation zu stoppen. Ohne Schwierigkeiten erreichte er Palapa, führte die Lanze des Stinger in das Loch des ausgebrannten "Apogee Kick Motor" ein und löste die drei Widerhaken manuell aus. Mit den Düsen der MMU konnte Joseph Allen die Rotation des Satelliten stoppen. Nun konnte Anna Fisher den Stutzen mit dem Greifarm der Discovery fassen. Sie drehte ihn und senkte ihn mit der Oberseite zuerst in den Frachtraum hinab. Dale Gardner entfernte zuerst eine kleine Rundstrahlantenne am oberen Ende des Satelliten. Danach begann er mit dem Bau einer Struktur, die die schüsselförmige Hauptantenne aufnehmen sollte. Es stellte sich aber heraus, dass ein für bestimmte Signalübertragungen genutztes "Feed Horn" etwa 3 Millimeter zu groß war. Eine Befestigung mit dieser Struktur schied damit aus. Der Alternativplan sah vor, dass Joseph Allen den Satelliten per Hand halten sollte, während Dale Gardner an der Unterseite den Bergungsadapter befestigen sollte. Anna Fisher brachte nun die Oberseite von Palapa in die Reichweite von Joseph Allen. Der schlang ein kurzes Seil um den Sonnenschutzschild. Damit brachte er Palapa unter Kontrolle. Nach der Entfernung des Stinger drehte Joseph Allen den Satelliten so, dass er ihn sicher in der Ladebucht verankern konnte.

In einer zweiten EVA durch Joseph Allen und Dale Gardner am 14. November 1984 (5h 42m) stand die Bergung von Westar VI an. Nachdem sich die Discovery dem Satelliten bis auf wenige Meter genähert hatte, flog Dale Gardner mit der MMU den kurzen Weg zu Westar. Schon beim ersten Versuch konnte er die Lanze des Stingers in die Schubdüse des Triebwerkes einführen und die Widerhaken auslösen. Es dauerte nicht lange, bis Westar ruhig und ohne zu rotieren neben der Discovery schwebte. Nach den schlechten Erfahrungen mit der Haltestruktur während der ersten EVA, war auf diesen Versuch verzichtet worden. Stattdessen brachte Anna Fisher ihren Kameraden Joseph Allen per Greifarm an die Oberseite von Westar, der immer noch von Dale Gardner mit der MMU gehalten und stabilisiert wurde. Nach Verwendung einer Haltestruktur an der Rückseite der Hauptantenne, konnte er den Satelliten unter Kontrolle bringen. Anna Fisher brachte Westar mit den beiden Astronauten und einer MMU direkt über den Frachtraum des Orbiters. Nachdem Dale Gardner die MMU an ihren Halteplatz zurückgebracht hatte, konnten die beiden Astronauten einen Bergungsadapter montieren. Westar wurde in seine vorgesehene Palette abgesenkt und dort automatisch verankert.
Beide Satelliten wurden zur Erde gebracht und später erneut gestartet. Palapa wurde von Indonesien zurückgekauft und unter der Bezeichnung Palapa B-2R mit einer Rakete vom Typ Delta 2 zurück ins All befördert. Dort erreichte er die geostationäre Umlaufbahn. Westar VI wurde schließlich an ein in Hongkong ansässiges Konsortium verkauft und unter dem Namen Asiasat 1 mit einer chinesischen Trägerrakete vom Typ "Langer Marsch 3" erneut gestartet. Auch er gelangte auf die geostationäre Umlaufbahn.

Ein Experiment während dieser Mission war das Diffused Mixing of Organic Solutions (DMOS) Experiment. Es war das erste einer Serie von umfassenden organischen und chemischen Experimenten, deren Auftraggeber die Firma 3M Corp. war. Dieses Middeck Experiment war erfolgreich und die urheberrechtlich geschützten Ergebnisse wurden an 3M ausgehändigt.