發射

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神舟九號於北京時間2012年6月16日18時37分24秒在甘肅酒泉衛星發射中心成功發射升空。

6月16日18時40分，箭一二級分離成功，一級墜落。此時，火箭已經飛過了平流層和中間層，正在接近大氣層邊緣。[12]18時49分，太陽帆板展開。[13]

變軌

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6月17日凌晨1點半，神舟九號飛船進行了首次變軌，神九的軌控發動機經過短暫開機，對神九的軌道進行調整。3名航天員在飛船的返回艙內實時監控了神九的變軌全過程，他們的服裝從白色的航天員艙內壓力服裝改為藍色的航天員艙內工作服。神舟九號原計劃通過5次變軌來追趕天宮一號，[14]但實際上神舟九號4次變軌後，就進入了距地面高度約343公里的近圓軌道，與天宮一號處在相同軌道面的交會對接點上，因此變軌只進行了4次。[15]

首次交會對接

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首次交會對接原定於6月18日11時左右進行，[16]後推遲至當天14時許進行。[17]根據既定的飛行方案，飛船將在軌飛行十餘天，與天宮一號目標飛行器進行兩次交會對接，第一次為自動交會對接，第二次由航天員手動控制完成。

6月18日14時14分，在完成捕獲、緩衝、拉近和鎖緊程序後，神舟九號與天宮一號緊緊相牽，中國首次載人交會對接取得成功，[18]首位航天員於17時07分進入天宮一號。

第二次交會對接

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6月24日11 時12分，天宮一號與神舟九號組合體按照地面指令分離，神舟九號自動撤離至與天宮一號相對距離400米停泊點處。12時38分，航天員劉旺駕駛飛船，通過手柄控制飛船的姿態、速度和方向，使神舟九號從140米外向天宮一號緩緩接近，最終於北京時間6月24日12時55分成功與天宮一號對接，中國首次空間手控交會對接試驗成功。[3]

天地通話

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6月26日上午10時許，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席胡錦濤來到北京航天飛行控制中心，同正在天宮一號開展科學實驗的神舟九號航天員景海鵬、劉旺、劉洋通話，中共中央政治局常委賈慶林、李長春、習近平、李克強出席並見證此次通話。[19]

返回

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6月27日下午2點42分，在北京航天飛行控制中心的控制下，天宮一號與神舟九號組合體在太空中偏航180度，使其從交會對接的正飛狀態進入倒飛狀態，建立撤離姿態，為航天員手控撤離做好準備。[20]

6月28日6時許，三位航天員告別天宮一號目標飛行器，陸續回到神舟九號飛船，做好組合體分離前的各項準備工作。6時37分，指令長景海鵬最後一個離開天宮。揮手作別後，他回到神舟九號飛船軌道艙，關閉天宮一號實驗艙艙門。9時22分，航天員劉旺手動控制神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器分離。組合體成功分離後，航天員繼續手動控制飛船撤離至安全距離。[21]

6月29日10時03分，神舟九號返回艙在四子王旗着陸場成功着陸，返回艙落地時呈水平狀態，三名航天員安全返回。中共中央政治局常委、國務院總理溫家寶，中共中央政治局常委、中央紀委書記賀國強，中共中央政治局常委、中央政法委書記周永康在北京航天飛行控制中心觀看飛船回收實況。溫家寶總理宣讀了中共中央、國務院、中央軍委賀電。[22]

各個階段

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神舟九號飛船返回地面，需要經歷4個階段：[23][24]

一是制動飛行階段。飛船在太空中運行最後一圈時，地面測控部門向飛船發出返回指令，飛船隨即調整姿態，發動機點火制動，進入返回軌道。此時，軌道艙和返回艙分離。

二是自由滑行階段。飛船以無動力飛行狀態自由下降。當飛船降至距離地面140公里處時，推進艙和返回艙分離，推進艙在穿越大氣層時燒毀，返回艙則繼續下降。

三是再入大氣層階段。飛船進入大氣層時，飛船表面和大氣層摩擦產生巨大熱量，在飛船表面形成高溫等離子氣體層，並對電磁波造成屏蔽形成「黑障」，使飛船在240秒內與地面失去聯繫。直到距離地球約40公里處，黑障消失，地面測控部門重新與飛船取得聯繫。

四是着陸階段。當返回艙距離地球約10公里時，傘艙蓋打開，引導傘率先打開，其後減速傘、主傘等亦隨之打開。在距離地面1.2米時，返回艙底部的4台反推發動機點火，使飛船以每秒1至2米的速度軟着陸。