Badano zachowanie się Columbii w czasie wznoszenia się na orbitę, na samej orbicie i w okresie powrotu przez atmosferę w bardziej surowych warunkach niż uprzednio. Podczas ekspedycji zrealizowano dziewiętnaście eksperymentów, a zestaw aparatury badawczej w luku nosił nazwę „OSS 1”. Całkowita masa aparatury doświadczalnej wyniosła prawie 10 000 kg. Eksperymenty przeprowadzone na pokładzie STS-3 dotyczyły fizyki plazmy ośrodka okołoziemskiego, fizyki Słońca, astronomii, bioastronautyki i technologii kosmicznej. Do głównych celów misji należało: dalsze sprawdzanie ramienia RMS oraz testy wytrzymałości termicznej – poprzez długotrwałe ustawienia orbitera pod różnym kątem względem Słońca. Przeprowadzono całą serię prób wykonanego w Kanadzie manipulatora RMS. Testy polegały na przenoszeniu zestawu o masie około 160 kg, przeznaczonego do diagnostyki plazmy ośrodka, w którym poruszała się Columbia. Podczas dłuższego niż poprzednio pobytu na orbicie można było przebadać charakterystyki cieplne wahadłowca i jego układów. Przeprowadzono w tym celu testy przy różnym usytuowaniu Columbii: ogonem w stronę Słońca, lukiem w jego kierunku, lukiem ku przestrzeni kosmicznej i przodem do padających promieni słonecznych.