Loty załogowe Skylab 3 28 lipca 1973 wystartował na pokładzie statku kosmicznego Apollo w kierunku stacji orbitalnej Skylab z misją oznaczoną jako Skylab SL-3. Podczas wyprawy pełnił funkcję pilota. W skład załogi weszli również: Charles Conrad – dowódca i Owen Garriott – pilot-naukowiec. Po dokonaniu inspekcji stacji z zewnątrz astronauci przycumowali kapsułę Apollo do Skylaba. Załoga stacji kontynuowała jej dalszą naprawę. 6 sierpnia 1973 Garriott i Lousma przez sześć i pół godziny pracowali na zewnątrz stacji, instalując nowy ekran ochronny, dzięki temu udało się uzyskać w jej wnętrzu właściwą temperaturę – 21 °C. Podczas misji poświęcono ponad 300 godzin obserwacjom Słońca. Obserwowano również zasoby naturalne Ziemi. Prowadzono także badania naukowe z zakresu biologii (dotyczyły one m.in. wpływu nieważkości na organizm ludzki). Wykonano ponad 16 000 fotografii. 24 sierpnia Lousma przez cztery i pół godziny jeszcze raz pracował na zewnątrz Skylaba. 25 września 1973, po ponad 59 dniach lotu, trójka astronautów powróciła na Ziemię, szczęśliwie wodując na Oceanie Spokojnym.