2002年3月25日夜，在酒泉衛星發射中心的載人航天發射塔架上，矗立著的新型長征二號F捆綁式火箭整裝待發。22時15分，火箭搭載神舟三號飛船一飛沖天，10分鐘后，飛船成功進入預定軌道。
與神舟一號、神舟二號飛船相比，神舟三號從外形和結構上并沒有什么區別，所不同的是神舟三號飛船在內部做的一些改進。比如，飛船中安裝了形體假人及人體代謝模擬裝置、醫監設備和艙內輻射環境監測設備等，并進行了相應試驗。
具體來說，神舟三號飛船仍由軌道艙、返回艙和推進艙三部分組成。
返回艙在飛船的中部：為密閉結構，其前端有艙門，供后續航天員進出軌道艙使用。
軌道艙位于飛船的前端：外形為兩端帶有錐角的圓柱形，在其兩側裝有可收放的大型太陽能電池陣、太陽敏感器和各種天線以及各種對接機構。這也是后續航天員在太空飛行期間的生活艙、試驗艙和貨艙。
推進艙位于飛船的后部：形狀像一個圓筒，主要用于飛船的姿態控制、變軌和制動。推進艙安裝有四臺大推力的主發動機和平移發動機，推進艙的兩側還裝有20多平方米的主太陽能電池陣。
飛船裝載10項44臺有效載荷設備，以對地觀測和科學實驗為主，主要包括：卷云探測儀、中分辨率成像光譜儀、地球環境監測系統、多工位空間晶體生長爐、空間蛋白質結晶裝置、空間細胞生物反應器、空間環境監測系統、窗口組件、有效載荷公用設備等，在軌開展了一系列空間試驗。
2002年4月1日，神舟三號飛船在環繞地球108圈、飛行了6天零18個小時后，著陸在內蒙古自治區中部地區。飛船開艙后，經檢測攜帶的科學實驗儀器運行狀態良好，完成了預定的全部科學實驗和探測任務，取得了圓滿成功。
“神舟三號”飛船技術狀態與載人狀態完全一致，同時增加了逃逸和應急救生功能，表明我國載人航天工程技術日臻成熟，為最終實現載人飛行打下堅實基礎；同時也表明我國利用飛船開展空間科學研究和空間資源開發進入了新的發展階段，對促進我國科學技術發展和國民經濟建設有著重要的意義。
