2002年北京時間3月25日22時15分，“神舟”三號飛船由長征-2F大推力運載火箭送入太空，開始了它七天的太空之旅。
運載火箭飛行583秒，船箭分離，飛船進入初始橢圓軌道，船箭分離後，北京航天指揮控制中心發送遙控指令，控制飛船展開太陽帆板，推進艙上的太陽帆板跟蹤太陽進行旋轉，在陽光照射區為飛船提供持續不斷的電能。
飛船繞地球飛行至第5圈時，地面測控系統發出指令，飛船上兩台大推力發動機點火，飛船進入341公里高的圓形軌道，在此軌道上飛船可以進行長期安全運行，並通過軌道維持控制，使飛船運行軌跡具有回歸特性，每天都準確經過位於我國內蒙古的飛船著陸場上空。
受地球曲率的影響，測控站可以跟蹤飛船的弧段有限。為提高對飛船跟蹤的覆蓋率，並在載人飛行狀態下，使地面測控系統與航天員保持密切聯絡。我們在太平洋、大西洋和印度洋海域布設了遠洋測量船，實現了飛船在軌道上運行的100多圈過程中，每一圈都能對飛船進行跟蹤，確保對飛船入軌、返回控制等關鍵弧段進行實時監視和控制。
載人航天中飛船返回控制最為複雜也最為關鍵，中國是世界上第三個掌握這一技術的國家。將距離地面300多公里，以每秒7.8公里運行的飛船準確控制到返回軌道並非一件容易的事。飛船在地面測控系統的控制下，一次性連續完成了調姿、軌道艙分離、二次調姿、建立制動姿態等一系列關鍵動作。按照注入指令，飛船制動發動機點火，飛船減速，進入返回軌道，飛船軌道下降至約145公里高度時，飛船推進艙與返回艙分離。飛船返回艙下降到預定高度時，開始啟動升力控制，將過載值減小到航天員承受範圍之內。在返回制動開始到飛船返回艙落地的40多分鐘時間裏，地面測控系統根據各種測量數據，迅速準確地預報出返回艙落點坐標。引導傘拉出減速傘，主傘打開，著陸緩衝發動機點火。搜索直升機和地面搜救人員按北京中心預報結果快速趕到返回艙落點。
飛船返回艙返回地面後，軌道艙繼續留在軌道上運行。飛船軌道艙上安裝有大量科學實驗儀器設備，在留軌飛行的半年時間裏，對空間和地球環境進行探測，並將試驗數據及時傳回地面，起到了發射一次試驗、綜合利用、多方受益的效果。
2002年4月1日16時51分，在地面測控系統控制下，“神舟”三號飛船安全、準確地返回到位於內蒙古的著陸場。這標誌著我國的載人航天技術已取得新的重大進展。相信不久的將來，我國的航天員就可以乘著“神舟”飛船遨遊太空，實現中國人的飛天夢想！
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