Der dritte Flug des Space Shuttle Orbiters „Columbia“ fiel zwar noch unter das Erprobungsprogramm, beinhaltete aber schon eine Reihe wissenschaftlicher Experimente. Die Vorbereitungen für die Mission STS-3 „Columbia“ F-3 verliefen weitgehend reibungslos und mit nur einer Stunde Verspätung wegen der Überprüfung von Bodeninstallationen (Sensorfehler im Stickstoff-Spülsystem für die SSME) hob das Shuttle am 22.03.1982 um 16:00 UTC von LC-39 A in Cape Canaveral ab. Die Mission stand unter Kommando von Jack Lousma, einem Veteranen aus dem Skylab Programm und Gordon Fullerton, einem der Testpiloten aus dem Shuttle Testprogramm, der in den 1960er Jahren bereits Kandidat für einen Raumflug im militärischen MOL (Manned Orbiting Laboratory) Programm gewesen war. Ohne ernste Probleme erreichte die „Columbia“ ihre Erdumlaufbahn, allerdings überhitzte sich eine der APUs (Auxiliary Power Units) während des Aufstiegs. Sie mußte daher nach 7:30 min stillgelegt werden. Dennoch konnte die geplante Umlaufbahn mit nur 500 m Höhenabweichung erreicht werden. Ein weiteres Problem betraf einen der Fallschirme am Steuerbord-Booster, der aber dennoch sicher im Meer niederging und geborgen werden konnte. Die Mission der „Columbia“ war erstmals als „Langzeitflug“ über die Dauer von einer Woche angelegt worden. Damit sollte die Funktion aller Bordsysteme über diesen Zeitraum verifiziert werden. Insbesondere der RMS (Remote Manipulator System) Manipulatorarm wurde ausgiebig erprobt. So wurde das Plasma Diagnostic Package (PDP) mit dem RMS für Messungen aus der Nutzlastbucht herausgehoben und auch wieder verstaut. Der Ausfall einer TV-Kamera am Ausleger führte jedoch zu der Entscheidung, die IECM (Induced Environment Contamination Monitor) Nutzlast in der Nutzlastbucht zu belassen. Die wissenschaftliche Nutzlast OSS-1 (Office of Space Science) bestand hauptsächlich aus verschiedenen Sensoren, die an verschiedenen Stellen in der Nutzlastbucht installiert waren, aber eben auch aus Meßgeräten, die mit dem Manipulatorarm außenbords gehalten werden sollten. Wie von den vorangegangenen Flügen konnten auch von diesem so vielfältige Daten zur kosmischen „Umweltverschmutzung“ gewonnen werden, die Zündungen der Shuttle Manövertriebwerke verursachten. Für die Installation der Nutzlasten kamen Spacelab Paletten und GAS (Get Away Special) Experimentencontainer zum Einsatz. Trotz eines insgesamt erfolgreichen Fluges hatten Lousma und Fullerton mit diversen Problemen zu kämpfen. Beide litten unter der Raumkrankheit, die Bordtoilette fiel aus und ebenso zeitweise die Temperaturregelung in der Kabine. Weitere Defekte betrafen u.a. die Telemetrie, Datenspeicherung und Energieversorgung einzelner Bordsysteme. Vor der Landung der „Columbia“ ergab sich für die Flugleitung ein unerwartetes Problem, als Unwetter in Kalifornien die Oberfläche des Salzsees auf dem Gelände der Edwards AFB aufweichten. Damit wurde eine Landung dort unmöglich. Der nächste Ausweichlandeplatz war White Sands in New Mexico, wo jedoch heftige Winde wehten. Dennoch wurde innerhalb von zwei Tagen die gesamte Bodenausrüstung für eine Shuttle Landung dorthin luftverlegt. Und nach einer Verlängerung der Mission um einen Tag setzte die „Columbia“ schließlich am 30.03.1982 um 09:05 UTC bei noch immer starkem Wind nach 192:04 h auf Runway 17, dem „Northrup Strip“, in White Sands auf. Trotz des außerplanmäßigen Anflugs auf eine andere Piste steuerte die Crew das Manöver souverän. Allerdings geriet der Abstieg in der letzten Phase doch etwas spektakulär, denn Lousma hatte sich beim Anflug in der Höhe verschätzt und fuhr das Fahrwerk der „Columbia“ erst 5 s vor dem Aufsetzen aus. Nach der Landung fanden sich einige Schäden am Thermal Protection System des Orbiters. Im Bereich der „Nase“ sowie auf der Oberseite der „Body Flap“ Ruderfläche waren bereits beim Start einige Kacheln verloren gegangen. Die NASA schätzte den Zustand des TPS nach der Landung dennoch als „bemerkenswert gut“ ein.