Start von Cape Canaveral (KSC) sowie Landung auf Cape Canaveral (KSC), Runway 33.

STS-87 hatte eine Reihe unterschiedlicher Missionsaufgaben. Im Rahmen des Programms "United States Microgravity Payload" (USMP)-4 sollten Experimente in den Bereichen Materialforschung, Atmosphärenforschung, Technik und Biologie durchgeführt werden. Daneben sollte die Freiflugplattform SPARTAN-201-04 ausgesetzt und später wieder geborgen werden. Schließlich stand eine Außenbordtätigkeit für Tests eines kleinen Krans im Rahmen des EDFT-Programms auf dem Flugplan. Mit Leonid Kadenjuk sollte erstmals ein Astronaut aus der Ukraine ins All starten.
STS-87 war mit einer "Extended Duration Orbiter" (EDO)-Palette ausgerüstet, die es erlaubt, Flüge mit längerer Missionsdauer zu unternehmen. Um einen Orbiter für längere Flüge umzurüsten, waren interne Änderungen und die Installation der EDO-Palette in der Nutzlastbucht erforderlich. Mit ihr kann eine Missionsdauer von bis zu 16 Tagen zuzüglich zwei Ausweichtagen erreicht werden. Der Unterschied zwischen einem normalen Orbiter und einem EDO besteht im Wesentlichen aus zusätzlichen Wasserstoff- und Sauerstofftanks, die auf der EDO-Palette montiert sind, und zusätzlichen Systemen zum Luftreinigungs- und Abfallsystem. Die EDO-Palette wiegt etwa 1.575 kg, hat einen Durchmesser von ungefähr 4,5 Metern und wird am hinteren Ende der Nutzlastbucht montiert.

Für den Aufstieg in die Erdumlaufbahn hatte die NASA erstmals ein anderes Flugprofil gewählt. Normalerweise hängt der Orbiter in der Startphase unten am externen Außentank, sodass die Astronauten an Bord kopfüber ihre Reise ins All antreten. Damit kann der Funkkontakt mit allen zur Verfügung stehenden Bodenstationen während des gesamten Aufstiegs erhalten bleiben. Zur Einsparung einer Bodenstation führte die Columbia nun nach etwa sechs Minuten Flugzeit ein Rollmanöver um 180 Grad durch. Den Rest des Weges in den Orbit saßen die Astronauten dann aufrecht auf dem externen Tank.

Eigentlich sollte SPARTAN bereits gleich nach dem Erreichen der Erdumlaufbahn und dem Öffnen der Frachtraumtüren ausgesetzt werden. Da aber das Sonnen-Observatorium SOHO, mit dem SPARTAN zusammenarbeiten sollte, Probleme bereitete, wurde das Manöver auf den dritten Flugtag verlegt.
Die Trägerplattform hat etwa die Ausmaße 1,30 m x 1,10 m x 1,20 m und ihr Gewicht liegt je nach Mission bei 1,0 bis 1,3 Tonnen. Ähnlich wie bei STS-64 wollte man Experimente zur Solarphysik in Koordination mit einen analogen Satelliten - SOHO - durchführen. Erst als SOHO wieder korrekt arbeitete, hob Kalpana Chawla die Freiflugplattform mit dem Greifarm der Columbia aus dem Frachtraum heraus und entließ ihn. Doch SPARTAN-201-4 blieb bewegungslos über der Nutzlastbucht. Das automatische Ausrichten des Raumflugkörpers etwa 90 Sekunden später erfolgte nicht. Die Besatzung erhielt daraufhin die Anweisung, SPARTAN wieder an Bord zu nehmen. Kalpana Chawla versuchte, das Ende des Greifarmes über den Stutzen von SPARTAN zu stülpen, rutschte aber ab. Dadurch begann die Plattform langsam zu rotieren.
Die Flugleitung entschied, dass Kevin Kregel den Orbiter zunächst in einen Sicherheitsabstand von etwa 64 Kilometern bringen sollte. Nach eingehenden Beratungen entschieden sich die Flugleiter, SPARTAN im Rahmen einer EVA bergen zu lassen. Dazu sollte Kevin Kregel die Columbia möglichst dicht an den Satelliten heranzubringen und sich dann dessen Rotation anzupassen, sodass die EVA-Astronauten ihn dann mit ihren Händen packen können.
So kam es am 24. November 1997 zu einer außerplanmäßigen EVA durch Winston Scott und Takao Doi (7h 43m). Nachdem sie sich an der Trägerstruktur von SPARTAN verankert hatten, verkürzte Kevin Kregel die Distanz zu dem Satelliten, dessen Drehbewegungen sich zwischenzeitlich sogar verlangsamt hatten. Als sich die Plattform nur noch 60 Zentimeter von den Astronauten entfernt befand, hatten diese keine Mühe, ihn mit den Händen festzuhalten. Kalpana Chawla konnte SPARTAN nun mit dem Greifarm in seiner Trägerstruktur einrasten lassen.
Da in den Raumanzügen noch genügend Sauerstoff- und Energiereserven vorhanden waren, zog die Flugleitung einen Test im Rahmen des EDFT-Programmes vor. In der Ladebucht war ein mit gut 5 Metern kleinerer Kran untergebracht, den die beiden Astronauten aber erst zusammenbauen mussten. Takao Doi führte damit eine Reihe von Bewegungstests durch, ehe Winston Scott und Takao Doi die 225 Kilogramm schwere Attrappe eines Batterieblocks hin und her transportierten. Ein solcher Batterieblock muss beim späteren Aufbau der Internationalen Raumstation bei der Montage der Solarzellenanlage bewegt werden.

Die Experimente der "United States Microgravity Payload" (USMP)-4 liefen weitgehend automatisch ab und erforderten nur wenige Überwachungsaufgaben durch die Besatzung. USMP wog etwa 2.100 Kilogramm und war am hinteren Ende der Nutzlastbucht eingebaut. Sie bestand aus zwei Paletten. Auf der einen Palette waren die Stromversorgung, die Kommunikation und die Thermalkontrolle montiert. Auf der anderen Palette befanden sich die wissenschaftlichen Experimente. Die Experimente betrafen die Bereiche Materialforschung, Atmosphärenforschung, Technik und Biologie. Für die Betreuung war Kalpana Chawla zuständig. USMP befand sich nach STS-52, STS-62 und STS-75 zum vierten Mal im All.

Während des Fluges erfolgten Schwerelosigkeits-Experimente zur Material-Wissenschaft und Biologie (u.a. Fluid und Flammen-Experimente, sowie Forschungen an Soja-Bohnen und Moos).

Materialwissenschaftliche Forschungen betrafen zum einen die Herstellung von Kristallen aus Wismut und Zink in einem speziellen Schmelzofen mit mehreren Temperaturzonen. Auf diese Weise können sehr große Kristalle in einer Richtung wachsen. Untersuchungsgegenstand waren Erstarrungstemperatur, -geschwindigkeit und die Form der Erstarrungsfront. Außerdem wurde in einer Handschuhbox die Benetzung fester Körper mit unvermischbaren Flüssigkeiten untersucht, die Charakteristika eingeschlossener Flammen erforscht und das Verhalten unlöslicher Keramikpartikel in flüssigen Metalllegierungen beobachtet.

Technische Tests betrafen eine Natrium-Schwefel-Batterie, die bei 350 °C bis zu 40 Amperestunden Strom abgibt (flüssige Elektroden aus Natrium bzw. Schwefel mit keramischem Elektrolyt) und eine Wärmetransporteinheit (Loop Heat Pipe LHP), in der ohne Pumpen, allein durch Kapillareffekte Ammoniakdampf Wärme in flexiblen Kunststoffschläuchen über mehrere Meter transportieren kann. Des Weiteren wurde erstmals eine freifliegende Kameraplattform eingesetzt, die vom Shuttle aus ferngesteuert wurde. Ihr Antrieb arbeitete mit Druckgas. Um gegen Stöße gesichert zu sein, war die Kameraplattform in stoßabsorbierendes Material eingehüllt.

In einem weiteren Get Away Special wurden grundlegende Untersuchungen zum Verhalten von Gasflammen in der Schwerelosigkeit ausgeführt. Durch einen Störungsmechanismus wurde mit Frequenzen von 2,5 Hz, 5,0 Hz und 7,5 Hz die Gleichmäßigkeit der Flammen unterbrochen.

Ein Gastexperiment aus der Ukraine behandelte das Wachstum von Pflanzenwurzeln in einer speziellen autonomen Einheit. Diese kann Pflanzen bis zu 30 Tage lang automatisch versorgen. Dazu ist sie mit einem Steuerungssystem, einer Luftregulierung, einer Nährstoffversorgung und einer Fluoreszenzlampe ausgerüstet. In der Plant Growth Facility (PGF) wurden Rübenpflanzen (Brassica rapa) gezüchtet.

Atmosphärenforschung wurde betrieben mit dem Experiment Solse (Shuttle Ozone Limb Sounding Experiment). Hierbei wurden die Höhenverteilung sowie das Verhalten des atmosphärischen Ozons untersucht. Weitere Ozonmessungen wurden in einem GAS-Behälter (Get Away Special) automatisch vorgenommen. Über ein Spektrometer und eine Kamera wurde die ultraviolette Strahlung im Bereich von 200 bis 400 Nanometer erfasst. Aus diesen Werten lässt sich die Ozonkonzentration sehr genau ermitteln. Im Komplex OARE wurden die Bremskräfte durch die Restatmosphäre in 250 Kilometern Höhe gemessen. SAMS stellt dagegen die kurzzeitigen Beschleunigungen fest, die durch Bewegungen der Astronauten und verschiedener Apparaturen entstehen.

Eine weitere (geplante) EVA durch Winston Scott und Takao Doi wurde am 02. Dezember 1997 (4h 59m) unternommen. Diese war wegen der Probleme mit SPARTAN im Flugplan nach hinten verschoben worden. Dieser Ausflug in den freien Weltraum stand ganz im Zeichen von EDFT-5.
Zunächst montierten die Astronauten erneut den kleinen Kran ("Crane Device") zusammen. Auch bei diesem Außenbordeinsatz bewegten sie wieder die Attrappe des Batterieblocks. Der bei STS-72 erprobte "Cable Caddy" diente bei dieser EVA lediglich als Gegenstand für das Versetzen mit Hilfe des kleinen Krans. Im weiteren Verlauf testeten Winston Scott und Takao Doi Seilsysteme zur Sicherheit der Astronauten bei Außenbordeinsätzen und zur Befestigung von Werkzeugen. Außerdem kam erstmalig die AERCam Sprint (Autonomous EVA Robotic Camera Sprint) zu Einsatz. Dieser ca. 33 cm große und 16 Kilogramm schwere "Ball" wurde von Winston Scott über Bord geworfen und vom Piloten Steven Lindsey im Flight Deck per Joystick kontrolliert. Er umkreiste dann Columbia langsam. Zukünftig kann man damit jeden Winkel der ISS von außen erkunden. Am Ende des Testfluges fing Winston Scott AERCam Sprint mit den Händen wieder ein. Damit endete das EDFT-Programm.