Der bereits mehrfach verschobene Start einer Atlas V Mod. 401  fand schließlich am 09.03.2007 statt. Die Rakete transportierte von Cape Canaveral insgesamt sechs verschiedene Satelliten auf unterschiedliche Umlaufbahnen. Wichtigste Nutzlast der STP-​1  Mission war das Orbital Express Experiment der DARPA, das als erstes ausgesetzt wurde. Etwa vier Minuten später folgte der Testsatellit MidSTAR 1. Dann zündete die Centaur Oberstufe der Rakete erneut und flog mit zwei Impulsen einen höheren Orbit an. Hier wurden nacheinander die Satelliten STPSat 1, CFESat und FalconSAT 3 ausgesetzt.
Der Start der ambitionierten Orbital Express Mission lag Jahre hinter dem Zeitplan zurück und das Programm hatte das veranschlagte Budget um mehr als 200 Mio. $ überschritten. Doch die DARPA wollte mit dem Unternehmen endlich dem Ziel einer autonomen Servicemission für Satelliten im Orbit näherkommen. Mit dem Technologiedemonstrator sollten autonome Rendezvoustechniken zwischen zwei Satelliten demonstriert werden, Wartungsarbeiten und ein gegenseitiges Betanken. Daher umfaßte Orbital Express auch zwei Satelliten, die beim Start aneinander gekoppelt blieben. ASTRO war dabei der Servicesatellit, während NEXTSat den zu wartenden Satelliten simulierte. Der Autonomous Space Transport Robotic Operations Satellit verfügte u.a. über einen Manipulatorarm, mit dem Baugruppen zwischen den beiden Satelliten ausgetauscht werden konnten. Aber auch der kleinere NEXTSat/CSC (Next Generation Satellite and Commodities Spacecraft) war ein vollwertiger Satellit mit einem hohen Autonomiegrad. Diese Auslegung sollte sich unmittelbar nach dem Start bewähren. Denn nach der Trennung von der Centaur Stufe konnte sich ASTRO nicht korrekt auf die Sonne ausrichten. Vielmehr war sogar das Gegenteil der Fall. In dieser Situation übertrug das Kontrollzentrum die Steuerung auf NEXTSat, dessen Sensoren korrekt arbeiteten. Ohne weitere Schwierigkeiten konnte nun der gesamte Stack orientiert werden, während die Boeing Techniker das Problem mit ihrem Satelliten lösten. Eine neu eingespielte Software behob schließlich am 13.03.2007 den Fehler. Die weiteren Test verliefen nun weitgehend reibungslos. Bis Ende März 2007 war die Überprüfungsphase der Bordsysteme beider Satelliten abgeschlossen. Der kanadische Manipulatorarm bewährte sich dabei mit seiner Kamera ausgezeichnet und lieferte umfangreiches Bildmaterial. Anfang April 2007 wurde erstmals Hydrazin von ASTRO in die Tanks von NEXTSat hinübergepumpt, wenig später auch wieder zurück. Die Operationen liefen auf verschiedenen Autonomie-​Levels. Als nächstes wurde eine Batterie von ASTRO an NEXTSat übergeben und dort in das elektrische System integriert. Am 17.04.2007 konnte dann der Ring ausgestoßen werden, der bis dahin die beiden Satelliten untereinander fixiert hatte. Das war eine entscheidende Vorbereitung auf die anstehenden autonomen Operationen. Doch zunächst verankerten sich NEXTSat und ASTRO durch den Kopplungsmechanismus miteinander. Bei den über Tage hinweg immer wiederholten Service-​Operationen traten wiederholt kleinere Pannen auf, die jedoch überwiegend auf Softwareprobleme und zu enge Sicherheitsmargen zurückzuführen waren. Am 05.05.2007 löste sich ASTRO dann schließlich erstmals von NEXTSat und nahm eine Warteposition in 10 m Entfernung ein. Von dort aus begann er einen neuen Anflug und koppelte ohne Probleme wieder an. Doch bei einem späteren Rendezvousmanöver aus größerer Entfernung fiel im Mai 2007 einer der Bordcomputer, AC-​2, aus, woraufhin sich ein Sicherheitsmechanismus aktivierte. Die Annäherung wurde abgebrochen und ASTRO ging auf sichere Distanz. Bevor man im Kontrollzentrum verstand, was vorging, hatte sich die Entfernung auf 7 km vergrößert. Nachdem jedoch neue Navigationsdaten übermittelt worden waren, konnte ASTRO tatsächlich einen neuen Anflug unternehmen und automatisch andocken. Am 16.06.2007 umflog ASTRO seinen Rendezvouspartner in geringem Abstand und am 22.06.2007 fand aus einigen Kilometern Entfernung ein komplexes Annäherungs-​, Inspektions– und Docking-​Manöver statt, mit dem eine komplette Servicemission nachgestellt wurde. Ende Juni 2007 erfolgten letzte Tests u.a. unter Einsatz des Manipulatorarms, dann manövrierten die Satelliten für Sensortests auf einen Abstand von 300 km. Offiziell am 22.07.2007 wurde die Mission beendet.
Der technologische Satellit MidSTAR 1 (Midshipman Space Technology Applications Research Satellite) war im Rahmen des USNA 5 Programms an der US Naval Academy entwickelt worden. Er diente als Plattform für mehrere kleine Experimente, darunter zwei Plasma Sensoren und ein experimentelles Mikro-​Triebwerk. Die Sensoren sollten helfen, sogenannte „Plasma-​Blasen“ aufzuspüren, die Schäden an Satelliten verursachen können. Beim Eclipse Experiment wurden im Auftrag von NASA und Eclipse Energy Systems elektrochemische Membranen untersucht und für das National Space Biomedical Research Institute (NSBRI) war ein Mikrodosimeter an Bord.
STPSat 1 flog hingegen eine Mission im Rahmen des Space Test Program. Sein primäres Instrument war SHIMMER (Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals), ein hochauflösendes UV-​Spektrometer der neuesten Generation. Dazu kam CITRIS, der Computerized Ionospheric Tomography Receiver in Space. Mit diesem Experiment wurden ionosphärische Anomalien untersucht, die u.a. die Ausbreitung von GPS Signalen beeinträchtigten. Eine Suite kleinerer Experimente und die beiden MEPSI (Micro Electro-​Mechanical Systems-​based PicoSat Inspector) Nanosatelliten, die gegen Ende der Mission ausgestoßen werden sollten, ergänzten die Ausrüstung. Mit STPSat 1 erprobte man zudem eine neuartige Variante zum Transport multipler Kleinsatelliten. Dazu wurde der Satellit an einer EELV Secondary Payload Adapter Ring Interface genannten Konstruktion unterhalb der Hauptnutzlast befestigt. Der ESPA Ring erwies sich als gelungene Konstruktion und fand später weite Verbreitung.
CFESat, das Cibola Flight Experiment, stammte aus den Los Alamos National Laboratories. Mit dem Satelliten wurden u.a. eine neue entfaltbare Antenne, eine neue Energieversorgungsanlage aus LiIon AA-​Zellen und vor allem einer neuer fehlertoleranter Bordcomputer erprobt. Der Satellitenbus stammte von der Surrey Satellite Technology Ltd., während die Instrumentierung das LANL übernahm. Wissenschaftlich untersuchte CFESat ionosphärische Signale im UHF– und VHF-​Frequenzbereich.
FalconSAT 3 war als studentisches Lehrobjekt der US Air Force Academy von deren Kadetten entwickelt und gebaut worden. Trotz der Kleinheit des Satelliten wurde mit ihm eine 3-​Achsen-​Stabilisierung umgesetzt, wozu auch geplulste Mikro-​Plasma-​Triebwerke eingesetzt wurden. Wissenschaftlich studierten das Flat Plasma Spectrometer (FLAPS) und das Plasma Local Anomalous Noise Environment Experiment (PLANE) das Umfeld des Satelliten. Speziell erforschten die Instrumente das umgebende Plasma und die geladenen Teilchen.