神舟九號飛船於晚上6時37分發射升空，展開13天的太空旅程。飛船按照計劃與天宮一號自動交會對接，形成組合體，3名太空人景海鵬、劉旺和中國第一位女宇航員劉洋再訪天宮一號，並與之實現了人控交會對接，標誌着中國已具備了向在軌航天器進行人員輸送和物資補給的能力。地面飛控中心對神舟九號飛船進行5次變軌控制，使飛船到達距離天宮一號後下方約52 公里處。神舟九號轉入自主控制飛行後，與天宮一號自動交會對接，形成組合體。3名太空人會先後打開飛船的返回艙艙門、軌道艙前艙門和天宮一號實驗艙艙門，進入天宮一號。6月29日10時03分，在經過近13天太空飛行後，神舟九號載人飛船返回艙順利着陸。
2011年，天宮一號與神舟八號交會對接任務後，經過認真評估，決定神舟九號執行載人飛行，與天宮一號目標飛行器進行首次載人交會對接試驗。神舟九號任務主要目的：一是通過航天員手控神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器進行對接，首次驗證手控交會對接技術；二是全面驗證天宮一號目標飛行器保障支持航天員生活工作的功能、性能，以及組合體管理技術；三是開展航天醫學實驗和再生式環境控制與生命保障等單項關鍵技術試驗。