神舟九号飞船于16日傍晚搭载3名航天员进入太空。根据既定的飞行方案飞船将在轨飞行十余天，与天宫一号目标飞行器进行两次交会对接，第一次为自动交会对接第二次由航天员手动控制完成。在神九飞船发射前约20天天宫一号开始降轨调相，进入高度约为343千米的近圆对接轨道，建立载人环境等待与飞船交会对接。

北京航天飞控中心对飞船实施了多次变轨控制，完成抬高近地点、修正轨道面偏差、抬高远地点、轨道圆化和组合修正，控制神舟九号飞船到达距离天宫一号，后下方约52公里处为交会对接做好准备。首次载人交会对接任务测控通信指挥部飞控组介绍，18日约11时左右神九飞船将转入自主控制飞行，与天宫一号实施自动交会对接，此过程同天宫一号与神舟八号交会对接基本一致。

神舟九号与天宫一号自动对接形成组合体后，航天员将在地面指挥与支持下，完成组合体状态设置与检查，依次打开各舱段舱门，通过对接通道进入天宫一号实验舱。组合体飞行期间由目标飞行器负责飞行控制，飞船处于停靠状态3名航天员将在飞船轨道舱内就餐，在天宫一号内进行科学实验、技术试验、锻炼和休息，3名航天员将返回飞船依次关闭各舱段舱门。

飞船自主撤离至距目标飞行器约400米处，然后自主控制接近目标飞行器在140米处停泊，航天员随后将通过操作姿态和平移控制手柄，瞄准目标飞行器十字靶标，控制飞船逐步接近目标飞行器至对接机构接触，完成手控交会对接航天员再次进入天宫一号驻留。3名航天员将返回飞船返回舱两飞行器分离，航天员手动控制飞船撤离至140米处，飞船转为自主控制继续撤离至5公里外安全距离，飞船返回着陆场地面人员将及时完成航天员搜救和返回舱回收。