2002年北京时间3月25日22时15分，“神舟”三号飞船由长征-2F大推力运载火箭送入太空，开始了它七天的太空之旅。
运载火箭飞行583秒，船箭分离，飞船进入初始椭圆轨道，船箭分离后，北京航天指挥控制中心发送遥控指令，控制飞船展开太阳帆板，推进舱上的太阳帆板跟踪太阳进行旋转，在阳光照射区为飞船提供持续不断的电能。
飞船绕地球飞行至第5圈时，地面测控系统发出指令，飞船上两台大推力发动机点火，飞船进入341公里高的圆形轨道，在此轨道上飞船可以进行长期安全运行，并通过轨道维持控制，使飞船运行轨迹具有回归特性，每天都准确经过位于我国内蒙古的飞船着陆场上空。
受地球曲率的影响，测控站可以跟踪飞船的弧段有限。为提高对飞船跟踪的覆盖率，并在载人飞行状态下，使地面测控系统与航天员保持密切联系。我们在太平洋、大西洋和印度洋海域布设了远洋测量船，实现了飞船在轨道上运行的100多圈过程中，每一圈都能对飞船进行跟踪，确保对飞船入轨、返回控制等关键弧段进行实时监视和控制。
载人航天中飞船返回控制最为复杂也最为关键，中国是世界上第三个掌握这一技术的国家。将距离地面300多公里，以每秒7.8公里运行的飞船准确控制到返回轨道并非一件容易的事。飞船在地面测控系统的控制下，一次性连续完成了调姿、轨道舱分离、二次调姿、建立制动姿态等一系列关键动作。按照注入指令，飞船制动发动机点火，飞船减速，进入返回轨道，飞船轨道下降至约145公里高度时，飞船推进舱与返回舱分离。飞船返回舱下降到预定高度时，开始启动升力控制，将过载值减小到航天员承受范围之内。在返回制动开始到飞船返回舱落地的40多分钟时间里，地面测控系统根据各种测量数据，迅速准确地预报出返回舱落点坐标。引导伞拉出减速伞，主伞打开，着陆缓冲发动机点火。搜索直升机和地面搜救人员按北京中心预报结果快速赶到返回舱落点。
飞船返回舱返回地面后，轨道舱继续留在轨道上运行。飞船轨道舱上安装有大量科学实验仪器设备，在留轨飞行的半年时间里，对空间和地球环境进行探测，并将试验数据及时传回地面，起到了发射一次试验、综合利用、多方受益的效果。
2002年4月1日16时51分，在地面测控系统控制下，“神舟”三号飞船安全、准确地返回到位于内蒙古的着陆场。这标志着我国的载人航天技术已取得新的重大进展。相信不久的将来，我国的航天员就可以乘着“神舟”飞船遨游太空，实现中国人的飞天梦想！
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