Научный багаж обсерватории должен помочь ответить на фундаментальные вопросы о структуре и динамике галактики Млечного Пути, происхождении пульсаров, квазаров, чёрных дыр, нейтронных звезд и других объектов, излучающих в гамма-диапазоне. Сверхновая 1987 А также будет одной из ключевых целей «ГРО».
Весь проект гамма-обсерватории осуществляется НАСА совместно с учеными из Германии, Нидерландов и Великобритании. Построен аппарат на предприятии американской корпорации «ТРВ». Управление обсерваторией на орбите осуществляется из Космического центра НАСА им. Годдарда в г. Гринбелте (штат Мерилэнд).
21 марта, после проведения двухдневного обзора летной готовности миссии «СТС-37», было установлено точное время старта — утро 5 апреля 1991 г. В этот день астронавты Стивен Нейджел (командир), Кенет Камерон (пилот), Джерри Росс, Джей Апт и Линда Гудвин (астронавты-специалисты) были разбужены задолго до рассвета, однако все еще было неизвестно, состоится ли старт — на космодроме шел дождь. В ожидании улучшения погоды руководители полета добавили лишь 10 мин к предстартовой подготовке, и в полдесятого утра «Атлантис» стартовал в хмурое небо над мысом Канаверал. На этот раз расчетная орбита пролегала в 450 км от Земли и имела наклонение 28°.
Выполнение программы началось с второстепенных экспериментов: астронавты привели в действие установки для выращивания кристаллов, выплавки тонкопленочных мембран, медико-биологических исследований и проведения опытов в области поведения жидкостей. Они также включили передатчик для радиолюбительских экспериментов.
6 апреля, во второй рабочий день, в кабине «Шаттла» было снижено давление с тем, чтобы облегчить подготовку к запланированному на четвертые сутки полета экспериментальному выходу в открытый космос. Начались также интенсивные проверки систем обсерватории «ГРО», занимавшей заднюю половину грузового отсека «Атлантиса». Вывод лаборатории в космос ожидался через двое суток, три часа и тридцать пять минут с начала полета (третий рабочий день), однако жизнь внесла коррективы в эти планы. Управляемый Линдой Гудвин дистанционный манипулятор зацепил 16-тонный груз и поднял его над грузовым отсеком. «Гармошки» двух солнечных батарей плавно развернулись, однако штанга жизненно важной остронаправленной антенны связи не реагировала на команды раскрытия. После безуспешных попыток «встряхнуть» неуклюжий гигант Джерри Россу и Джею Апту был дан приказ готовиться к преждевременной вылазке в раскрытый грузовой отсек для принудительного раскрытия антенны. Через 17 мин с начала первого за 5 лет американского выхода в открытый космос антенна была приведена в рабочее положение и обсерватория «ГРО» могла быть оставлена на орбите.
