Der Start erfolgte von Cape Canaveral (KSC). Der Orbiter landete auch wieder in Cape Canaveral (KSC), Runway 33.

Angesichts der schlechten Wetterbedingungen entschieden die Manager bereits am 02. März 1994 den für den Folgetag geplanten Start um 24 Stunden zu verschieben. Auf diese Weise konnte eine - vermutlich vergebliche - Betankung des External Tanks vermieden werden und die NASA sparte etwa 400.000 Dollar an Kosten.

In der ersten Phase war STS-62 als Mikrogravitations-Mission geplant. Es kam somit darauf an, die auftretenden Restbeschleunigungen im Shuttle so gering wie möglich zu halten. Auch die Astronauten waren angewiesen worden, sich so ruhig und umsichtig wie möglich zu bewegen. An die Fluglageregelung wurden hohe Anforderungen gestellt, weil einerseits so wenig wie möglich Lageänderungsmanöver wie möglich ausgeführt werden sollten, andererseits aber verschiedene Fluglagen für einzelne Experimente erforderlich waren. Meist zeigte der Frachtraum zur Erde und die rechte Tragfläche in Flugrichtung.

STS-62 beförderte die Mission "United States Microgravity Payload" (USMP-2) mit materialwissenschaftlichen Experimenten in die Erdumlaufbahn. Diese Experimente dienten der reinen Grundlagenforschung. So wurden zum Beispiel Eiskristalle geschmolzen und insbesondere auch das Erstarren von Metallen und Halbleitermaterialien beobachtet.
Zur Aktivierung der USMP-Experimente mussten zunächst stabile Kommunikationsverbindungen geschaltet werden. Zum überwiegenden Teil sollten die Experimente unmittelbar von den Projektwissenschaftlern am Boden gesteuert werden. Um das "Space Acceleration Measurement System" (SAMS) kalibrieren zu können, führten John Casper und Andrew Allen mehrere vordefinierte Rollen um alle drei Hauptachsen aus. Zwischenzeitlich erfolgten erste Messungen mit dem Experiment "Spacecraft Kinetic Infrared Test" (SKIRT), das erneut das sogenannte Shuttle-Glühen untersuchen sollte. Weiterhin wurde am ersten Flugtag der Greifarm der Columbia aktiviert. Die Astronauten führten erste Tests mit dem "Dexterous End Effector" (DEE) durch, einer neuen magnetischen Greifhand. Zu den USMP-2-Nutzlasten gehörten auch das "Isothermal Dendritic Growth Experiment" (IDGE), "Advanced Automated Directional Solidification Furnace" (AADSF), "Critical Fluid Light Scattering Experiment" (CFLSE oder ZENO) "Materials for the Study on Interesting Phenomena of Solidification on Earth and in Orbit" (MEPHISTO) sowie das "Space Acceleration Measurement System" (SAMS).

Nachfolgend werden einige der USMP-2-Experimente näher beschrieben:

"Advanced Automated Directional Solidification Furnace" (AADSF): Das Experiment war die "Weltraumausgabe" eines Schmelzofens, der normalerweise zur Herstellung von hochreinen Kristallen aus Halbleitermaterial verwendet wird. Der in einem Container aus Quarzglas befindliche Rohling wurde zunächst bis auf einen kleinen Rest geschmolzen. Das verbliebene Stück diente als Ausgangspunkt für den danach eingeleiteten Kristallisierungsprozess. Auf der Erde wird der nun folgende Erstarrungsprozess durch die Schwerkraft gestört, sodass es zur ungleichmäßigen Verteilung der chemischen Bestandteile kommt. Diese Störungen treten unter den Bedingungen der Mikrogravitation nicht auf.

"Materials for the Study on Interesting Phenomena of Solidification on Earth and in Orbit" (MEPHISTO): Ziel des Experimentes war die Beobachtung des Verhaltens von geschmolzenen Metallen und Halbleitermaterialien beim Erstarren. Zum Einsatz kamen Wismutproben, die mit geringen Mengen Zinn legiert waren. Das Experiment könnte Auswirkungen auf die Herstellung hochwertiger und hochbelasteter Produkte wie z.B. Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken haben.

"Critical Fluid Light Scattering Experiment" (CFLSE oder ZENO): Bei diesem Experiment wurde in immer kleineren Schritten der kritische Punkt des Edelgases Xenon erforscht. Am kritischen Punkt, also bei einer ganz bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck, liegt ein Stoff gleichzeitig als Gas und als Flüssigkeit mit derselben Dichte vor.

"Space Acceleration Measurement System" (SAMS): Das Experiment diente der Erfassung, digitalen Aufzeichnung und Weiterleitung von Daten zu den geringen Restbeschleunigungen und Vibrationen, die am Shuttle den verschiedensten Aktivitäten wie Bewegungen der Astronauten, Ablassen von Brauchwasser oder Schwenken von Antennen entstehen. Unterstützt wurde SAMS vom "Orbital Acceleration Research Experiment" (OARE). Dabei handelte es sich um festeingebaute Beschleunigungsmesser.

Die zweite mitgeführte Nutzlast (OAST-2) beinhaltete in 6 Experimenten Forschungen für die Raumstation aber auch für Satelliten und Sensoren. So wurden z.B. Daten über das Verhalten von Salzen unter Schwerelosigkeit, die als Wärmespeicher genutzt werden sollen, gesammelt. Im Einzelnen handelte es sich um folgende Experimente:

"Solar Array Module Plasma Interaction Experiment" (SAMPIE): Damit sollten ganz allgemein die Wechselwirkungen zwischen einem Raumfahrzeug und dem in einer erdnahen Bahn vorhandenen Plasma untersucht werden. Wenn die betroffene Oberfläche eine hohe negative Ladung aufweist, kann es zu Spannungsüberschlägen (Lichtbögen) kommen, die zu Schäden am Raumfahrzeug führen. Weist die Fläche eine hohe positive Ladung auf, werden riesige Mengen an Elektronen aufgesammelt, die z.B. bei Solarzellenflächen zu einem Leistungsabfall führen.

"Thermal Energy Storage" (TES): Dieses Experiment sammelte Daten über das Verhalten von Salzen unter Schwerelosigkeit, die als Wärmespeicher genutzt werden sollen. Durch Sonneneinstrahlung wurden die Salze mehrfach geschmolzen. Beim Abkühlen war die Bildung von Rissen und Hohlräumen im Salz Schwerpunkt der Untersuchungen.

"Experimental Investigation of Spacecraft Glow" (EISG): Es ging um die Untersuchung des sogenannten Shuttle-Glühens. Bei dem Experiment wurde eine Referenzplatte beobachtet, die je zur Hälfte mit schwarzer und weißer Farbe gestrichen war. Aus Kanistern wurde zusätzlich unter Druck stehender Stickstoff abgelassen, der direkt auf die Referenzplatte traf.

"Spacecraft Kinetic Infrared Test" (SKIRT): Hauptbestandteil war ein Infrarotspektrometer, das mit Stickstoff auf 57 Grad Kelvin heruntergekühlt wurde. Von besonderem Interesse waren Aufnahmen, die gemacht wurden, wenn sich die Columbia um eine Hauptachse drehte, sodass Veränderungen beim Shuttle-Glühen in Abhängigkeit von der Fluglage beobachtet werden konnten.

"Emulsion Chamber Technology" (ECT): Bei diesem Experiment sollte untersucht werden, wie fotografisches Material, das zur Analyse kosmischer Strahlung eingesetzt wird, durch Hitze, Vibration oder Hintergrundstrahlung geschädigt wird. Dazu wurden in einer hermetisch abgeschlossenen Box mehrere Stapel Filmmaterial mitgeführt.

"Cryogenic Two Phase" (CRYOTP): Es wurde ein Wärmerohr getestet, wie es zur Kühlung wärmebelasteter Bereiche eines Raumflugkörpers verwendet wird. Besonderheit des Experiments war, dass nicht nur mit dem sonst üblichen Zyklus Verdampfen / Kondensieren gearbeitet wurde, sondern zusätzlich mit dem Zyklus Erstarren / Schmelzen.

Daneben flogen dann noch diverse sekundäre Nutzlasten mit. Dazu gehörten auch der Test mit einem Fahrradergometer, einer verbesserten Telekommunikation und biomedizinische Experimente.

Die Columbia war als Träger für verschiedene OEX-Experimente ausgewählt worden. Dabei sollte das Space Shuttle als Versuchsobjekt für Wiedereintrittsexperimente genutzt werden. Zu den Versuchsanordnungen gehörten:
"Shuttle Entry Air Data System" (SEADS): Es handelte sich um eine Anordnung von Druckmessgeräten in der Bugnase, um den Staudruck zu messen. Die Druckmessungen begannen in etwa 85 km Höhe und dauerten bis zur Landung. Ebenso wurden Messungen in der Startphase durchgeführt.
"Shuttle Upper Atmospere Mass Spectrometer" (SUMS): Für Messungen oberhalb von 80 km war im Bugfahrwerksschacht ein automatisches Massenspektrometer installiert. Damit konnten selbst kleinste Luftmengen Auskunft darüber geben, wie die Atmosphärendichte ist.
"Shuttle Infrared Leeside Temperature Sensing" (SILTS): Am oberen Ende des Seitenleitwerks war ein aerodynamisch verkleideter Pod angebracht worden, der eine hochauflösende Infrarotkamera enthielt. Damit konnten genaue Temperaturverteilungskarten erstellt werden. Der Infrarotsensor konnte Temperaturen von 93 bis 538 Grad Celsius erfassen und wurde mit Hilfe von Stickstoff gekühlt.