神舟九號飛船于16日傍晚搭載3名航天員進入太空。根據既定的飛旋進旋渦流量計行方案，飛船將在軌飛行十余天，與天宮一號目標飛行器進行兩次交會對接，*次為自動交會對接，第二次由航天員手動控制完成。

在神舟九號飛船發射前約20天，天宮一號開始降軌調相，進入高度約為343千米的近圓對接軌道，建立載人環境，等待與飛船交會對接。

從17日凌晨起，北京航天飛控中心對飛船實施了多次變軌控制，完成抬高近地點、修正軌道面偏差、抬高遠地點、軌道圓化和組合修正，控制神舟九號飛船到達距離天宮一號后下方約52公里處，為交會對接做好準備。

根據中國載人交會對接任務測控通信指揮部飛控組組長麻永平介紹，在18日約11時左右，神舟九號飛船將轉入自主控制飛行，與天宮一號實施自動交會對接。此過程同天宮一號與神舟八號交會對接基本一致。

神舟九號與天宮一號自動對接形成組合體后，航天員將在地面指揮與支持下，完成組合體狀態設置與檢查，依次打開各艙段艙門，通過對接通道進入天宮一號實驗艙。

組合體飛行期間，由目標飛行器負責飛行控制，飛船渦街流量計處于停靠狀態。3名航天員將在飛船軌道艙內就餐，在天宮一號內進行科學實驗、技術試驗、鍛煉和休息。

此后，3名航天員將返回飛船，依次關閉各艙段艙門。飛船自主撤離至距目標飛行器約400米處，然后自主控制接近目標飛行器，在140米處停泊，轉由航天員手動控制。

航天員隨后將通過操作姿態和平蒸汽流量計移控制手柄，瞄準目標飛行器十字靶標，控制飛船逐步接近目標飛行器，至對接機構接觸，完成手控交會對接。3名航天員再次進入天宮一號駐留。

飛船返回前，3名航天員將返回飛船返回艙。兩飛行器分離，航天員手動控制飛船撤離至140米處，飛船轉為自主控制，繼續撤離至5公里外安全距離。

之后，飛船返回著陸場，地面人員將及時完成航孔板流量計天員搜救和返回艙回收；天宮一號目標飛行器則變軌至370千米自主飛行軌道，轉入長期在軌運行。