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2003年10月15日9时整，载有神舟5号飞船的长征-2F运载火箭从酒泉卫星发射中心腾空而起，38岁的杨利伟成为中国首位进入太空的航天员。
9点02分逃逸塔和箭船正常分离；9点03分整流罩正常分离；9点10分箭船正常分离，飞船进入预定的近地点200千米和远地点350千米的椭圆轨道；9点12分主电源太阳能帆板打开；9点14分留轨电源太阳能板打开。9点31分在南太平洋的远望2号测量船捕获飞船，杨利伟首次传回“我感觉良好！”语音。15点52-57分飞船成功变轨，进入343千米圆形轨道；17点后杨利伟通过窗口拍摄地球画面；17点26分杨利伟与国防部长曹刚川作第一场“天地对话”；18点40分杨利伟在太空展示中国和联合国国旗，并向地球上人类问好。19点58分杨利伟与家人进行第二场“天地对话”。
16日5点35分位于南大西洋上的远望3号，向已环绕地球飞行14圈的飞船发出返回指令；5点38分飞船制动火箭点火；5点56分返回舱与轨道舱分离；6点04分返回舱进入稠密大气层处于“黑障”阶段；6点07分返回舱穿出“黑障”，地面收到返回舱信号；6点23分返回舱安然着陆。6点36分地面搜救人员找到返回舱，仅距理论着陆点4.8千米，航天员身体完全健康。
为了首次载人，神舟5号飞船对神舟4号仅作了少量改进，如人工控制系统、着陆缓冲能力、舱内防潮防湿和消除有害气体能力，进一步进行了工效学改善，以更方便航天员的生活和工作。
神舟5号飞船载人飞行成功，具有划时代意义，圆了中华民族数千年来的飞天梦，铸就了中国航天技术发展的第三个里程碑。实现载人飞船技术的突破，仅仅是第一步，中国载人航天还有很长的路要走。下一艘神舟6号飞船将做多人和更长时间的太空飞行。今后的重点要完成出舱活动、空间交会对接试验和发射长期自主飞行、长期有人照料的空间实验室。第三步则是建造更大的长期有人照料的空间站。