2002年3月25日夜，在酒泉卫星发射中心的载人航天发射塔架上，矗立着的新型长征二号F捆绑式火箭整装待发。22时15分，火箭搭载神舟三号飞船一飞冲天，10分钟后，飞船成功进入预定轨道。
与神舟一号、神舟二号飞船相比，神舟三号从外形和结构上并没有什么区别，所不同的是神舟三号飞船在内部做的一些改进。比如，飞船中安装了形体假人及人体代谢模拟装置、医监设备和舱内辐射环境监测设备等，并进行了相应试验。
具体来说，神舟三号飞船仍由轨道舱、返回舱和推进舱三部分组成。
返回舱在飞船的中部：为密闭结构，其前端有舱门，供后续航天员进出轨道舱使用。
轨道舱位于飞船的前端：外形为两端带有锥角的圆柱形，在其两侧装有可收放的大型太阳能电池阵、太阳敏感器和各种天线以及各种对接机构。这也是后续航天员在太空飞行期间的生活舱、试验舱和货舱。
推进舱位于飞船的后部：形状像一个圆筒，主要用于飞船的姿态控制、变轨和制动。推进舱安装有四台大推力的主发动机和平移发动机，推进舱的两侧还装有20多平方米的主太阳能电池阵。
飞船装载10项44台有效载荷设备，以对地观测和科学实验为主，主要包括：卷云探测仪、中分辨率成像光谱仪、地球环境监测系统、多工位空间晶体生长炉、空间蛋白质结晶装置、空间细胞生物反应器、空间环境监测系统、窗口组件、有效载荷公用设备等，在轨开展了一系列空间试验。
2002年4月1日，神舟三号飞船在环绕地球108圈、飞行了6天零18个小时后，着陆在内蒙古自治区中部地区。飞船开舱后，经检测携带的科学实验仪器运行状态良好，完成了预定的全部科学实验和探测任务，取得了圆满成功。
“神舟三号”飞船技术状态与载人状态完全一致，同时增加了逃逸和应急救生功能，表明我国载人航天工程技术日臻成熟，为最终实现载人飞行打下坚实基础；同时也表明我国利用飞船开展空间科学研究和空间资源开发进入了新的发展阶段，对促进我国科学技术发展和国民经济建设有着重要的意义。
