为研究天文、物理和基本生物学，宇航员完成了来自美国各地高中学生推荐的实验项目。如云的研究、振动试验、木星的X射线、体外免疫学、蜘蛛网的形成、细胞质流、中子质量测量和分析。
“天空实验室-2”号飞船绕地飞行858圈，飞行距离3940万千米。1973年月25日22时19分51秒安全返回地球。
最科学的实验室
“天空实验室-3”号是最后一艘登陆“天空实验室”空间站的飞船。指令长杰拉德·卡尔、飞行员威廉·波格和任务工程师爱德华·吉布森组成科考访问团。从他们的任务徽章可以看出这次任务的3个主要研究领域：树，代表人类的自然环境和推进地球资源研究；氢原子，作为宇宙的基本元素，代表人类探索物质世界，由于太阳的主要成分为氢气，氢气符号表示太阳能物理学的任务目标；人类，表示人类的能力、对自然环境方面的智慧和技术，它还涉及到“天空实验室”医学研究的宇航员。
1973年11月16日14时1分23秒，3位宇航员在佛罗里达州肯尼迪航天中心第39B发射台，搭乘“土星-5”号运载火箭发射升空。“天空实验室-3”号飞船围绕地球飞了5圈多，终于追赶上“天空实验室”空间站。
指令长杰拉德·卡尔报告：休斯敦，我是“天空实验室-3”号。各项飞行数据正常，距离空间站100米，对接开始。11月16日21时55分0秒，飞船与空间站成功对接，运行在近地点422千米，远地点437千米，轨道倾角50°的轨道上，轨道周期93.11分钟。
“天空实验室”是一座即将被遗弃的空间站。宇航员进入“天空实验室”后惊讶地发现：里面竟然有3个穿着宇航服的人。经仔细检查，他们发现是3个假人。原来是上一批宇航员加里奥特、洛斯马和鲍尔安在完成“天空实验室”任务后，伪装了3个假人，留下一点生命的标记。
宇航员进入空间站后必须激活许多程序。指令长卡尔感觉头晕乎乎的，手脚不太灵便，脾气变得暴躁；飞行员波格发现胸口很难受，视力不集中；吉布森也遇到麻烦，浑身上下都有一种说不出的痛苦，记忆力大大减退。麻烦了，晕船。指令长卡尔说：这是一个糟糕的开局。宇航员们企图躲避例行的飞行医学检查。休斯敦飞控中心的指挥人员从影像中发现宇航员怎么老是东倒西歪的，一定是晕船。宇航员们到空间站后，初始任务就是激活程序，还要卸载搬运上千种长期科研、生活需要的物品；要执行种类繁多的科研任务，度过漫长的时间。宇航员很快发现自己累了。各项任务开始落后于时间表。
“天空实验室”的激活程序工作进展很慢。宇航员要求减少工作量。地面指挥人员不同意。宇航员在太空中的每一分每一秒都很珍贵，必须和时间赛跑。他们认为宇航员没有足够长的飞行时间或工作不够努力。经过协商后，对宇航员的工作量和时间表做了修改，并以他们的使命为目标，安排他们完成更多的工作。这次宇航员与地面指挥人员的纠纷，为随后的载人航天计划工作日程安排提供了重要教训和经验。
“天空实验室”的陀螺姿态控制系统出现故障，迫使宇航员们提前结束使命。“天空实验室”有3个大型陀螺仪。两个用于控制和操纵空间站，另一个用于出现故障时的备份。陀螺仪故障是由于润滑不足。宇航员利用特殊的温度控制和削减负荷，才保持第二个陀螺仪程序运行正常，没有发生更严重的问题。
太空行走是3位宇航员的“必修课”。1973年11月22日是感恩节。17时42分，吉布森和波格第一次太空行走，拍摄观测太阳的电影，修复发生故障的天线，历时6小时33分。在宇宙空间过感恩节别有一番风情。两人一面看着脚下的地球，一面做了一个吃火鸡的动作。12月25日16时，卡尔和波格出站太空行走，历时1小时1分。这天正是圣诞节。他们在太空看见地球上的城市灯火辉煌，也模仿干杯，互祝圣诞快乐。12月29日17时，卡尔和吉布森爬出空间站，在太空行走3小时29分。1974年2月3日15时19分，卡尔和吉布森第4次太空行走，历时5小时19分。3位宇航员进行了4次太空行走，共22小时13分。
宇航员在“天空实验室”生活了83天4小时38分，约计1996小时。他们进行了医学、太阳观测、地球资源、科·胡特克彗星实验观察和其他科学实验。“天空实验室-3”号飞船在太空历时84天1小时16分，围绕地球运转1214圈，飞行距离5550万千米。宇航员为“天空实验室”提前安排了“后事”，关闭了相关系统，挥泪告别。1974年2月8日2时33分12秒，3位宇航员安全返回地球。
最亲近太阳的实验室
美国科学家在“天空实验室”上特别安装了一个很先进的“天文台”——太阳观测台。太阳观测台主要的观测对象就是太阳， 总共拍摄了多达18万张珍贵的太阳照片，拍摄了太阳的紫外光线和X射线等，获得精细的日冕照片。
宇航员们最喜欢摆弄太阳望远镜。在X射线、紫外线、可见光和光谱下进行太阳观测真是一种享受，同样的太阳会有不一样的形象，千变万化。他们共拍摄了约7.5万张照片。1974年1月21日，太阳表面的活动区域形成了一个亮点，并加剧和增长。第三批登上“天空实验室”的宇航员吉布森很快就拍摄了亮点爆发的全过程。这是第一部从空间观察太阳耀斑出现的电影。
太阳光是什么颜色？是什么样子？是什么动态？1973年，太阳观测台拍摄了一张太阳光的照片，引起科学家的重视。这是人类第一次揭开太阳外日冕的真实面目。科学家根据这张照片对太阳光的亮度进行了彩色编码，揭示了冕洞与太阳风高速流之间的关系。这张照片成为美国评出的10张具有里程碑意义的太空照片之一。凭借你的想象力，能看出什么来？
观察太阳风暴、太阳黑子、太阳日珥等太阳现象是“天空实验室”的主要任务。美国“天空实验室”很聪明。这是1973年拍摄的太阳照片，照片中有一个难得一见的巨大日珥。据说美国国家航空航天局因为这张照片，又为“天空实验室”记了一大功。
最辉煌的实验室
美国发射成功“天空实验室”空间站。它的任务与它的名字一样，是用于天空实验的空间站。“天空实验室”使用的时间不长，但贡献很大。它的轨道周期为93.4分，每天绕地轨道15.4圈。“天空实验室”在太空运行了2249天，环绕地球34981圈，载人飞行时间171天13小时，航程达14.24亿千米。宇航员进行了10次太空行走共42小时16分。“天空实验室”成为美国最值得骄傲的太空奇迹，对美国科学、医学、天文学、空间学和宇航学提供了最大的支持，为未来的空间站和国际空间站提供了很多经验。
自从“天空实验室”升空以后，一直故障不断。1973年5月25日，宇航员在“天空实验室”逗留28天，出舱修复太阳能帆板。如果未能及时维修，站内的绝缘塑料就会融化，释放出有毒气体，使“天空实验室”完全无法居住。由于“天空实验室”轨道不断降低，仪器失灵。最严重的问题是一个陀螺仪已经失效，姿态控制系统需要注油，这都要通过舱外维修来解决。“天空实验室”最终被封闭停用。
美国国家航空航天局“天空实验室”测量船等跟踪雷达和遥测天线发现，“天空实验室”仍然停留在轨道上，但每天都在下降，预计至少还要运行8年。
美国约翰逊航天中心地面控制站重新与6岁的空间站建立了联系，希望能调整它的运行姿态，在重返地球时有一个理想的动力学方向。美国国家航空航天局约翰逊航天中心的飞控人员和宇航专家确认：1979年7月11日16时左右，“天空实验室将进入大气层烧毁，残片坠落在澳大利亚帕斯西部和南印度洋。
1979年7月11日16时37分，“天空实验室”越来越接近地球，强大的地球引力将“天空实验室”拉向地球。“天空实验室”发生倾斜下坠，速度越来越快。“天空实验室”重新进入地球大气层的轨迹比较窄，约4个纬度那么宽，从南纬48°，东经87°开始进入大气层；朝南纬12°，东经144°方向坠落，残骸沉入南印度洋与西澳大利亚的珀斯远处海洋里。
许多人都希望将“天空实验室”最大的碎片收回，以示纪念。“天空实验室”即将消亡，将坠落西澳大利亚的消息，被国际媒体作为重大事件报道。各国电视台在晚间新闻报道中将其重新入境的时间和地点详细公布。美国旧金山稽查办公室愿用1万美元奖金接受“天空实验室”的第一件碎片。位于西澳大利亚埃斯佩朗斯市17岁少年斯坦桑顿在自己家的屋顶上找到了几件“天空实验室”的隔热瓦。男孩乘飞往旧金山的航班如愿以偿地收到了他的飞来横财。无独有偶，1979年7月11日傍晚时分，一大块“天空实验室”的碎片砸在澳大利亚珀斯市一年一度的环球小姐选美的舞台上，把选美比赛的组织者吓了一跳。他说：这不仅仅是一个巧合，这是天意我们的环球小姐一定最美，选美一定成功。
为了纪念“天空实验室”，原先休斯敦约翰逊航天中心用于宇航员训练的一座全尺寸的“天空实验室”，被放在华盛顿特区国家航空与航天博物馆，供游客参观。另一个全尺寸模型，目前保存在阿拉巴马州亨茨维尔博物馆。“天空实验室”的灵魂一直在散发着勇敢的气息。