2002年3月25日中国神舟三号飞船在酒泉卫星发射中心顺利发射升空。此前，神舟一号和神舟二号的发射时间分别是在凌晨和子夜。
航天发射是一项极其复杂和庞大的系统工程，飞船发射时机的选择要考虑到各种各样可能影响到发射的因素，其中，气象因素往往是最关键最直接的决定性因素。在综合考虑判断的基础上，最终确定下来的一天中的某一个时间段会作为飞船发射的时机，这个时间段被称为“发射窗口”。
“神舟”号飞船的发射窗口之所以选择在夜晚而不是白天，最重要的原因是便于飞船发射升空时，地面的光学跟踪测量设备易于捕捉到跟踪目标。道理很简单，在漆黑的夜空中，喷射着火焰向太空飞行的载有飞船的火箭非常显眼和突出。 神舟三号北京2002年3月29日下午，在北京航天指挥控制中心的统一指挥调度下，“神舟”三号飞船首次启动船载小动量发动机，成功进行了高精度的轨道维持，为今后顺利实施返回计划创造了有利条件。
截至15时，于3月25日发射升空的“神舟”三号飞船已经在预定轨道上运行了60圈。在大气阻力和地球引力的共同作用下，飞船的飞行轨迹逐渐下降，慢慢偏离设计轨道，要确保飞船能够正常运行，必须对它实施轨道维持。
15时30分，北京航天指挥控制中心通过相关地面测控站启动了飞船轨道维持工作程序。这一程序将通过点燃飞船自身装载的小动量发动机提供能量，调整飞船的飞行轨迹。
18时15分，当“神舟”三号飞船环绕地球开始第61圈飞行时，飞船上装载的小动量发动机按程序成功启动。记者通过指控大厅大屏幕上的实时三维动画看到，飞船尾部喷出桔黄色的火焰，加速飞行。约8秒钟后，飞船重新进入平稳的飞行状态。随后，守候在大西洋上的“远望”三号测量船，向北京航天指挥控制中心传来数据，结果表明这次轨道维持取得圆满成功。
据有关专家介绍，“神舟”三号飞船在轨飞行4天来，船上各种仪器设备工作正常，空间科学实验进展顺利。北京航天指挥控制中心将密切监视飞船的工作状态，为飞船的顺利返回作好准备。 神舟三号已经成功返回。神舟三号是一艘正样无人飞船，飞船技术状态与载人状态完全一致。这次发射试验，运载火箭、飞船和测控发射系统进一步完善，提高了载人航天的安全性和可靠性。飞船上装有人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备以及形体假人，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数。这次发射，逃逸救生系统也进行了工作。这个系统是在应急情况下确保航天员安全的主要措施。
北京时间2002年3月27日从北京航天指挥控制中心获悉：截至19时，“神舟”三号无人飞船已按预定轨道环绕地球三十圈，目前飞船工作正常，空间科学实验进展顺利。
16点32分，“神舟”三号飞船再次飞经中国渤海湾上空时，记者在北京指挥控制中心大厅巨大显示屏幕上看到，从太空传回了飞船稳定运行的真实状态图像。
飞船在轨运行期间，有关部门还组织实施了飞船上有效载荷的各种科学实验，包括实间生命环境实验、高层大气监测实验以及天地图像、话音传输等。
还首次进行了逃逸系统试验。逃逸系统可在火箭发射和升空阶段出现意外故障的紧急情况下，将飞船带离危险区域，确保航天员的生命安全。
“神舟”三号飞船于2002年3月25日在酒泉卫星发射中心发射升空。在北京航天指挥控制中心的调度下，中国陆海基航天测控网对飞船进行了持续的跟踪、测量与控制。飞船进入轨道后，北京指挥中心向飞船实时发送了一系列遥控指令，使飞船在太空顺利完成了太阳能帆板展开、飞行姿态调整等多个太空指令。当飞船绕地运行至第五圈时，北京中心准确发出指令，启动船载变轨发动机，成功将飞船推入工作轨道。
北京航天指挥控制中心称，该中心将密切监视飞船的工作状态，适时进行轨道维持，为飞船的顺利返回作好准备。 载人飞船返回地面一般须经历四个阶段，即：制动飞行阶段，大气层自由下降阶段，再入大气层阶段和着陆阶段。
航天测控指挥部门首先向飞船发出返回程序和数据指令，飞船按预定时间调整飞行姿态，完成偏航动作，轨道舱和返回舱分离，分离后的轨道舱继续在轨飞行，进行科学试险。接着，飞船再次完成制动姿态调整，尾部朝飞行方向。飞船按程序点燃发动机制动，完成离轨操作任务，进入返回轨道。
当飞行高度降低到距地球约140公里时，推进舱与返回舱分离。返回舱距地球约100公里时，再入大气层，与大气层产生剧烈磨擦，外表变成一团火球，周围产生等离子体，形成电磁屏障，又称“黑障”。此时，返回舱与地面通信中断。返回舱距离地球约40公里时，“黑障”消失。
当返回舱降到距地球约10公里时，回收着陆系统启动工作，弹出伞舱盖，连续完成拉出引导伞、减速伞和主伞动作。返回舱乘主伞缓缓下降，抛掉防热底盖，距地面约1米时，点燃反推火箭发动机，以不大于每秒3.5米的速度实现软着陆。
