展開された主要ペイロードは、太陽の極地方を探索するために欧州宇宙機関が製造したユリシーズであった。慣性上段ロケットとこのミッションのために使われたペイロード・アシスト・モジュール-Sの2つの上段ステージが、ユリシーズを楕円軌道の外まで送るために初めて組み合わされた。他のペイロードや実験機器には、Shuttle Solar Backscatter Ultraviolet (SSBUV)やINTELSAT Solar Array Coupon (ISAC)、Chromosome and Plant Cell Division Experiment (CHROMEX)、Voice Command System (VCS)、Solid Surface Combustion Experiment (SSCE)、Investigations into Polymer Membrane Processing (IPMP)、Physiological Systems Experiment (PSE)、Radiation Monitoring Experiment III (RME III)、Shuttle Student involvement Program (SSIP)、Air Force Maui Optical Site (AMOS)等があった。
STS-41までの研究では、微重力への適応の過程で、動物や人間の骨質量は減少し、心失調が起こり、30日を超えると骨粗鬆症に似た症状が起こることが示されていた。エイムズ研究センターとペンシルベニア州立大学の細胞研究センターが出資するSTS-41のPhysiological Systems Experiment実験の目標は、このような症状に生理学的治療が有効か否か確かめることであった。ジェネンテック社が開発したタンパク質が飛行の間、8匹のラットに投与され、他の8匹には投与されなかった。
Polymer Membrane Processing実験は、膜形成における対流の役割について明らかにすることを目的とした。膜は薬品の精製、人工透析、水の脱塩等の目的で商業的に用いられる。この実験の一部は、Battelle Advanced Materials Center for the Commercial Development of Spaceの出資によって行われた。
STS-41の乗組員のスケジュールの空き時間には、中学校レベルの教材作成のため、様々なビデオテープを撮影した。このテープは、後にNASAのTeacher Resource Center networkを通じて、全国に配布された。