2012年6月16日18时37分神舟九号飞船承载着3名航天员在酒泉卫星发射中心，由长征二号F运载火箭成功发射，准确入轨。
神舟九号飞船入轨后，经地面远距离导引和自主控制飞行，于6月18日14时14分，在距地面高度343千米的近圆轨道上，与天宫一号目标飞行器成功实现自动交会对接，形成组合体。18日17时07分，航天员景海鹏首次成功进驻天宫一号，随后刘旺、刘洋依次进驻。
6月24日11时12分，天宫一号与神舟九号组合体分离，神舟九号自动撤离至距天宫一号400米处，随后神舟九号逐渐接近天宫一号，至140米停泊点，神舟九号飞船转由航天员手动控制。航天员刘旺操作平移和姿态手柄，在航天员景海鹏、刘洋的密切配合下，控制神舟九号飞船向天宫一号目标飞行器接近。12时55分，神舟九号与天宫一号成功对接，第二次形成组合体，航天员再次进入天宫一号。
任务实施期间，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛在神舟九号飞船发射成功后第一时间从国外发来贺电，并亲临北京航天飞行控制中心与神舟九号航天员亲切通话，吴邦国委员长、温家宝总理等其他党和国家领导人也亲临任务现场指导。
