為研究天文、物理和基本生物學，宇航員完成了來自美國各地高中學生推薦的實驗項目。如雲的研究、振動試驗、木星的X射線、體外免疫學、蜘蛛網的形成、細胞質流、中子質量測量和分析。
“天空實驗室-2”號飛船繞地飛行858圈，飛行距離3940萬千米。1973年月25日22時19分51秒安全返回地球。
最科學的實驗室
“天空實驗室-3”號是最後一艘登陸“天空實驗室”空間站的飛船。指令長傑拉德·卡爾、飛行員威廉·波格和任務工程師愛德華·吉布森組成科考訪問團。從他們的任務徽章可以看出這次任務的3個主要研究領域：樹，代表人類的自然環境和推進地球資源研究；氫原子，作為宇宙的基本元素，代表人類探索物質世界，由於太陽的主要成分為氫氣，氫氣符號表示太陽能物理學的任務目標；人類，表示人類的能力、對自然環境方麵的智慧和技術，它還涉及到“天空實驗室”醫學研究的宇航員。
1973年11月16日14時1分23秒，3位宇航員在佛羅裏達州肯尼迪航天中心第39B發射台，搭乘“土星-5”號運載火箭發射升空。“天空實驗室-3”號飛船圍繞地球飛了5圈多，終於追趕上“天空實驗室”空間站。
指令長傑拉德·卡爾報告：休斯敦，我是“天空實驗室-3”號。各項飛行數據正常，距離空間站100米，對接開始。11月16日21時55分0秒，飛船與空間站成功對接，運行在近地點422千米，遠地點437千米，軌道傾角50°的軌道上，軌道周期93.11分鍾。
“天空實驗室”是一座即將被遺棄的空間站。宇航員進入“天空實驗室”後驚訝地發現：裏麵竟然有3個穿著宇航服的人。經仔細檢查，他們發現是3個假人。原來是上一批宇航員加裏奧特、洛斯馬和鮑爾安在完成“天空實驗室”任務後，偽裝了3個假人，留下一點生命的標記。
宇航員進入空間站後必須激活許多程序。指令長卡爾感覺頭暈乎乎的，手腳不太靈便，脾氣變得暴躁；飛行員波格發現胸口很難受，視力不集中；吉布森也遇到麻煩，渾身上下都有一種說不出的痛苦，記憶力大大減退。麻煩了，暈船。指令長卡爾說：這是一個糟糕的開局。宇航員們企圖躲避例行的飛行醫學檢查。休斯敦飛控中心的指揮人員從影像中發現宇航員怎麼老是東倒西歪的，一定是暈船。宇航員們到空間站後，初始任務就是激活程序，還要卸載搬運上千種長期科研、生活需要的物品；要執行種類繁多的科研任務，度過漫長的時間。宇航員很快發現自己累了。各項任務開始落後於時間表。
“天空實驗室”的激活程序工作進展很慢。宇航員要求減少工作量。地麵指揮人員不同意。宇航員在太空中的每一分每一秒都很珍貴，必須和時間賽跑。他們認為宇航員沒有足夠長的飛行時間或工作不夠努力。經過協商後，對宇航員的工作量和時間表做了修改，並以他們的使命為目標，安排他們完成更多的工作。這次宇航員與地麵指揮人員的糾紛，為隨後的載人航天計劃工作日程安排提供了重要教訓和經驗。
“天空實驗室”的陀螺姿態控製係統出現故障，迫使宇航員們提前結束使命。“天空實驗室”有3個大型陀螺儀。兩個用於控製和操縱空間站，另一個用於出現故障時的備份。陀螺儀故障是由於潤滑不足。宇航員利用特殊的溫度控製和削減負荷，才保持第二個陀螺儀程序運行正常，沒有發生更嚴重的問題。
太空行走是3位宇航員的“必修課”。1973年11月22日是感恩節。17時42分，吉布森和波格第一次太空行走，拍攝觀測太陽的電影，修複發生故障的天線，曆時6小時33分。在宇宙空間過感恩節別有一番風情。兩人一麵看著腳下的地球，一麵做了一個吃火雞的動作。12月25日16時，卡爾和波格出站太空行走，曆時1小時1分。這天正是聖誕節。他們在太空看見地球上的城市燈火輝煌，也模仿幹杯，互祝聖誕快樂。12月29日17時，卡爾和吉布森爬出空間站，在太空行走3小時29分。1974年2月3日15時19分，卡爾和吉布森第4次太空行走，曆時5小時19分。3位宇航員進行了4次太空行走，共22小時13分。
宇航員在“天空實驗室”生活了83天4小時38分，約計1996小時。他們進行了醫學、太陽觀測、地球資源、科·胡特克彗星實驗觀察和其他科學實驗。“天空實驗室-3”號飛船在太空曆時84天1小時16分，圍繞地球運轉1214圈，飛行距離5550萬千米。宇航員為“天空實驗室”提前安排了“後事”，關閉了相關係統，揮淚告別。1974年2月8日2時33分12秒，3位宇航員安全返回地球。
最親近太陽的實驗室