Setelah itu, Sultan dipilih oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA) sebagai spesialis payload untuk pesawat ulang-alik STS-51G. Dia mulai jadwal pelatihan yang dipersingkat dan pada 17 Juni 1985 Sultan terbang dengan pesawat ulang-alik Discovery sebagai bagian dari tujuh anggota awak internasional.
Selama misi tujuh hari itu, Sultan mewakili Organisasi Komunikasi Satelit Arab (ARABSAT) dan ikut ambil bagian dalam penyebaran satelit organisasi itu, ARABSAT-1B.
Selama berada di luar angkasa, dia juga membawa serangkaian eksperimen yang telah dirancang para peneliti Saudi, termasuk eksperimen gas terionisasi yang dilakukan anggota keluarga kerjaan Saudi lainnya untuk gelar Ph.D.
Sultan juga berbicara dengan pamannya, Raja Fahd, melalui telepon saat berada di luar angkasa dan melakukan tur interior pesawat ulang-alik dalam bahasa Arab, yang disiarkan di saluran televisi di Timur Tengah. Pesawat ulang-alik itu mendarat kembali di Bumi pada 24 Juni 1985.
Saat pulang, Sultan menjadi anggota pendiri Asosiasi Penjelajah Luar Angkasa, organisasi internasional untuk astronot dan kosmonot yang telah melakukan perjalanan ke luar angkasa. Dia juga menjabat sebagai dewan direksi.
Prestasi uniknya memberinya banyak penghargaan, khususnya dari negara-negara Muslim dan Arab seperti Pakistan, Kuwait, Qatar, Bahrain, Maroko, dan Suriah.
Sultan diangkat sebagai sekretaris jenderal pertama Komisi Pariwisata Tertinggi di Arab Saudi ketika organisasi tersebut dibentuk pada 2000. Dalam posisi ini, dia berupaya memperluas dan meningkatkan sektor pariwisata di negaranya dengan memainkan peran utama dalam mengembangkan sektor pariwisata di negaranya.