Przebieg misji Magellan został wyniesiony na niską orbitę okołoziemską 4 maja 1989 roku, na pokładzie wahadłowca Atlantis w misji STS-30. 5 maja, po pięciu orbitach Ziemi, na wysokości 296 km, sonda opuściła ładownię wahadłowca. Na trajektorię międzyplanetarną została skierowana przez dodatkowy człon napędowy na paliwo stałe (Inertial Upper Stage). 10 sierpnia 1990 roku, po 15 miesiącach podróży, sonda weszła na eliptyczną, prawie polarną orbitę wokół Wenus, o perycentrum 294 km. Przez pierwsze tygodnie pobytu na orbicie trwała faza testów. Misja okołowenusjańska została podzielona na cykle trwające po 243 dni (tyle trwał przelot sondy nad całą powierzchnią Wenus), pierwszy z nich rozpoczął się 15 września 1990. W trakcie misji sonda zmapowała 98% powierzchni Wenus z rozdzielczością dziesięciokrotnie wyższą niż wcześniejsze radzieckie sondy Wenera 15 i 16 oraz wykonała mapy pola grawitacyjnego 95% powierzchni planety. We wrześniu 1994 przeprowadzono eksperyment Windmill (pol. wiatrak), podczas którego zmieniano kąt nachylenia paneli baterii słonecznych i badano wpływ oporu atmosferycznego na ruch sondy, co pozwoliło na obliczenie gęstości atmosfery na różnych wysokościach.