發射
在軌
2005年10月12日17時29分，航天員費俊龍打開神舟六號返回艙與軌道艙之間的艙門，進入軌道艙開展空間科學實驗。
2005年10月13日4時開始，航天員進行在軌干擾力試驗，在艙內有意識加大動作幅度，以試驗人的擾動對飛船姿態的影響。在進行了開關艙門、穿脫壓力服、穿艙、抽取冷凝水四大項“在軌干擾力”試驗後，航天員的活動對飛船姿態的影響很小，飛船可保持正常飛行，所以不需糾正飛船姿態。
2005年10月14日清晨，神舟六號在第30圈進行變軌後的首次軌道維持，即根據軌道精測參數進行微量調整，使飛船回到預定的正常軌道。維持時，神六發動機共點火6.5秒，將飛船抬高了800米。
2005年10月15日16時29分，胡錦濤與航天員費俊龍、聶海勝通話。18時05分，航天員向北京航天飛控中心傳送他們拍攝的飛船太陽能帆板的數字圖像。
著陸
完成預定飛行任務後，飛船採用升力再入方式返回內蒙古四子王旗的主著陸場。神舟六號載人飛船返回地面需要經歷4個階段：制動飛行階段、自由滑行階段、再入大氣層階段、著陸階段。在此次繞地飛行中，“神舟六號”的軌道艙與返回艙分離後，還將繼續在軌飛行六個月時間，進行一系列科學實驗。由於第一次的載人太空飛行器神舟五號在太空只飛行了一天，主著陸場的天氣變化可及時準確預測，因此未曾啟用副著陸場；神舟六號飛船將在太空飛行多天，氣象難以準確預測，因此酒泉衛星發射中心的副著陸場將啟用作後備著陸地點。為迎接飛船隨時可能返回，地面共設定了13個著陸點。除內蒙古四子王旗和酒泉衛星發射中心主、副兩個著陸場外，國內外還有11個應急著陸場。著陸場系統包括主、副著陸場分系統，陸上應急搜救分系統，海上應急搜救分系統，通信分系統和航天員醫監醫保分系統這5個分系統。
參與航天員搜救的裝備包括：搜尋救援直升機、搜尋救護直升機、搜尋攝錄直升機、指揮調度車、航天員醫監醫保車、工程運輸車、航天員運輸車、返回艙吊車和小型搜尋車。
為保證神六和兩名太空人安全回家，設計了4把巨型降落傘。返回艙在降落過程中，至少要先後打開引導傘、減速傘、主傘共3把傘，如果有必要，還要打開第4把備份傘。太空船返回艙降落傘能否順利打開，直接關係著回收的成敗。主傘不能一下子全部打開，否則會被高速氣流吹破，返回艙也會被摔爛。太空船落地後也並非萬事大吉，如果巨大降落傘被風吹鼓，就可能拖著返回艙快速滾動。為保證安全，返回艙落地一剎那間，太空人發出指令，艙上的切割器會切斷傘繩吊帶，讓降落傘獨自飄落，保證返回艙不被傘拖走。
另外，根據神舟五號太空人楊利偉提出的意見，為使神舟六號著陸時對太空人的衝擊降至最小，艙內太空人的座椅還首次安裝了「賦形減震坐墊」——根據太空人形體不同特徵量體製造的吸能座墊，可在發生撞擊瞬間迅速分散人體的應力，避免人體損傷。
在2005年10月17日凌晨3時44分，太空船軌道艙與返回艙成功分離，並在3時45分，飛船的發動機成功點火，開始回航。在4時07分飛船推進艙與返回艙成功分離，返回艙自行重返地球。
在著陸期間，在四子王旗主著陸場的夜空一直有一個光點，仿如流星划過夜空。返回艙在4時13分經過大氣層時，產生高溫，形成通訊黑障區，一度暫停與控制中心聯絡，長達3分鐘。在4時20分，返回艙打開主降落傘，在四子王旗主著陸場慢慢降落，在4時33分返回艙成功降落，2名太空人費俊龍、聶海勝並向控制中心報平安，控制中心工作人員鼓掌慶祝。在約半小時後，搜救直升機首先發現返回艙，實際著陸地點較預計相差僅1公里。工作人員打開返回艙門後，醫療人員為2名太空人檢查身體，並建議2人可以自行出艙。
神六人物
執行任務太空人
費俊龍，指令長
聶海勝，操作手
這是兩位太空人第一次進行太空任務飛行。
後備太空人
第一梯隊：劉伯明、景海鵬
第二梯隊：翟志剛、吳傑
各分系統負責人
航天員系統總指揮、總設計師：陳善廣
飛船套用系統總指揮、總設計師：顧逸東
飛船系統總指揮：尚志，總設計師：張柏楠
火箭系統總指揮：劉宇，總設計師：劉竹生
發射場系統總指揮：張育林，總設計師：陸晉榮
時間軸
以下時間使用協調世界時（UTC）。
10月11日22:15—22:17太空人進入飛船
22:53神舟六號返回艙艙門關閉
10月12日00:27火箭發射塔操作支架完全打開
01:00:00長征二號F型火箭點火
01:00:03.583神舟六號發射
01:02:03（點火後第120秒）火箭逃逸塔分離
01:02:19（點火後第136秒）火箭助推器分離
01:02:42（點火後第159秒）火箭一二級分離，一級火箭墜落
01:03:23（點火後第200秒）整流罩在110公里高度脫離
01:09:52神舟六號進入預定軌道
07:56神舟六號飛船實施變軌
10月13日02:10航天員進行在軌抗干擾試驗
21:56神舟六號飛船進行變軌後的首次軌道維持
10月15日08:29—08:312名太空人與中華人民共和國主席胡錦濤對話。
10月16日18:40神舟六號圍繞地球進入第76圈飛行，在青島站測控區上空
18:44神舟六號返回指令解鎖
19:10北京航天飛控中心調度員宣布，返回段跟蹤進入30分鐘準備
19:17神舟六號正在南太平洋上空飛行
19:18推進艙太陽帆板垂直歸零
19:42遠望三號測量船捕獲到神舟六號信號
19:43—19:48遠望三號測量船對神舟六號實施了姿態調整、軌道艙與返回航分離、制動點火等一系列關鍵控制，神舟六號順利進入預定返回軌道
19:43遠望三號向神舟六號發出指令，神舟六號第一次調姿開始
19:44軌道艙與返回艙成功分離
19:45推進艙發動機點火，開始回航
19:48:29推進艙軌道控制發動機關機，飛出遠望三號測量船測控段
19:52返回艙飛過非洲大陸上空，向中國飛來
20:02返回艙飛過南亞上空，航天員報告飛船工作正常，感覺良好
20:07推進艙與返回艙成功分離
20:13返回艙進入通訊黑障區
20:16著陸場站測控設備發現飛船
20:19返回艙主傘艙蓋打開
20:20脫減速傘，主傘打開，直升機目視到目標
20:23返回艙防熱大底成功拋掉
20:33返回艙成功著陸
21:04返回艙艙門被打開
21:39兩名太空人費俊龍和聶海勝離開返回艙
10月17日返回地球
技術改進
飛船上新增加了40餘台設備和6個軟體，使飛船的設備達到600餘台，軟體82個，元器件10萬餘件，做出了四個方面110項技術改進。
圍繞兩人多天任務的改進：食品櫃得到真正使用，通過水箱和單獨的軟包裝兩種方式準備了航天員用水。擴大了冷凝水箱，把所有裸露管線都貼上了吸水材料，確保飛船濕度控制在80%以下。
軌道艙功能使用方面的改進：放置了食品加熱裝置和餐具等。軌道艙中掛有一個睡袋，供兩名航天員輪流休息用。軌道艙中還有一個專門的清潔用品櫃，航天員可以用裡面的溫巾等物品進行清潔。大小便收集裝置這次也是首次使用。
提高航天員安全性的改進：對航天員的坐椅緩衝器進行了重新設計，使返回前坐椅提升後航天員可以看到舷窗外的情況。研製成功了返回艙與軌道艙之間的艙門密閉快速自動檢測裝置。研製出一種專用抹布，這種布不產生纖維、靜電、異味，專門用來清潔艙門。
持續性改進：“黑匣子”不僅存儲量比原來大了100倍，而且數據的寫入和讀出速度也提高了10倍以上，體積卻不到原來的一半。
搭載
此次神舟六號飛船上搭載的物品共八類六十四種，主要是載人航天工程紀念品，如：郵品、字畫、旗幟和其他紀念品等，還有用來進行科學試驗的微生物菌種和農作物種子。
實驗用途
一些雞蛋、蠶卵和雲南普洱茶將隨“神六”升空，以研究其基因變異的可能性。飛船上放置了盛有搏動的心肌細胞和貼壁伸展的成骨細胞的24個細胞培養盒，航天員和地面工作人員同步對兩份相同的活體細胞進行一系列的科學對比實驗，研究空間環境影響心臟和骨骼的細胞分子機理，並通過空間實時飛行驗證放置在細胞培養液中、地面篩選出藥物的防護效果。航天員分三個時段操作24個樣品盒，操作時，航天員將把細胞培養帶放置在腿上，按不同時段，擠破分別裝著激活劑與固定劑的兩種膠囊，激活或固定活體細胞，考察在飛船入軌前與入軌後不同重力條件下細胞樣品的狀態與變化。
紀念用途
有10克特別的泥土，由9克大陸泥土和1克台灣泥土組成，寓意十全十美，寄望兩岸可以實現和平統一。
極地考察國旗、國際奧委會會旗、上海世界博覽會會旗和“國防教育”、“見證中華騰飛”等旗幟，以及《六駿圖》、《神舟頌》、《長征萬里圖》等書畫名家的作品。
各地回應
香港-香港特別行政區行政長官曾蔭權祝賀神舟六號發射成功；立法會議員發賀卡給中央政府。
美國-美國國務院發言人埃雷利表示，中國是全球第三個國家能成功發展載人航天科技，美國歡迎中國和平發展太空研究美國太空總署署長格里芬10月12日發表聲明，指神舟六號升空證明中國已躋身「精英國家」之列。聲明指，「中國再次展示，他是其中一個能載人上太空的『精英國家』之一。我們祝願他們任務順利，並期待他們的太空人安全歸來
俄羅斯-俄羅斯航天局副主管莫爾西耶夫說：「再有強國加入這個太空俱樂部。我們期望在所有範疇上跟他們進一步合作，包括載人航天飛行。」他又指，俄羅斯正「密切關注」中國的太空計畫
日本-日本官房長官細田博之亦祝賀中國神舟六號發射成功，並表示這與中國增加的軍事威脅沒有關係。
創下的中國第一
首次多人遨遊太空
“神五”只有楊利偉一名乘客，而10月12日，太空迎來了兩名客人——中國“神六”的兩名航天員費俊龍和聶海勝。人數的增加給飛行任務的各個環節和工程各系統都帶來了不同程度的變化。比如，攜帶的裝備要增加一倍，兩名航天員存在協同配合的問題等等。雙人飛行，比單人飛行更能全面地考核飛船和工程其他系統的性能。
首次多天空間飛行
“神五”僅飛行了21個小時，繞地球14圈。費俊龍和聶海勝在軌運行多天，飛行圈數、距離大大增加。在空間停留的時間越長，意味著發生問題的機率越大，飛行控制越複雜。飛控系統人員對計算機終端進行了更新，數據記錄方式也實現了更新換代。“神六”制定了在軌運行時的150餘種故障模式和對策，如果故障嚴重，飛船在每一圈都能應急返回。
首次進行空間實驗
“神五”飛行中，楊利偉一直待在返回艙內，沒有進行空間科學實驗操作。這一次，兩名航天員從返回艙進入軌道艙生活並開展了空間科學實驗。這是我國第一次有人參與的空間科學實驗。科學實驗如果沒有人的參與，實驗的內容和效果將受到很大的限制。人的參與將使空間科學實驗實現質的飛躍。
首次進行飛船軌道維持
10月14日5時56分，在北京航天飛行控制中心的統一指揮調度下，“神六”進行首次軌道維持。飛船發動機點火工作了6．5秒。稍後，航天員報告和地面監測表明，首次軌道維持獲得圓滿成功。因受大氣阻力和地球引力的影響，飛船飛行軌道會逐漸下降。為確保正常運行，飛行控制專家按預定計畫，決定在“神六”飛行到第30圈時，對飛船軌道進行微調，使其軌道精度更高。
首次飛行達325萬公里
楊利偉乘坐“神五”飛行了60萬公里，而此次“神六”以每秒約7.820185公里的速度，在距地面343公里的圓形軌道飛行。飛行距離達325萬公里，費俊龍和聶海勝因此成為飛得最遠的中國人。
首次太空穿脫航天服
“神五”飛行中，楊利偉一直穿著艙內航天服，而這次兩名航天員第一次脫下艙內航天服到軌道艙活動。航天服實際上不僅僅是服裝，更是載人航天的個體防護保障系統。這次使用的航天服與上次楊利偉穿的一樣，只不過楊利偉沒有脫過。航天服重量10多公斤，經過訓練，他們都能在兩三分鐘內完成穿脫。
首次在太空吃上熱食
“神五”飛行的21個小時裡，楊利偉只吃了小月餅等即食食品，喝的是礦泉水，而這次兩名航天員在太空中第一次吃上了熱飯熱菜。中國人喜歡吃熱餐，長時間飛行一定要有食品加熱裝置，所以這次航天食品專家們專門設計了一個食品加熱裝置，能在30分鐘裡加熱食物。
首次啟用太空睡袋
楊利偉躺在座椅上睡了兩覺，其間熟睡有半個小時。這次飛行，兩名航天員第一次用上太空睡袋，睡覺時間增多了。飛行時間加長後，航天員必須有足夠的睡眠，才能保證身體的健康和科學實驗的正常開展。這次專家們用保暖織物設計了太空睡袋，固定在軌道艙艙壁上，以供航天員休息。
首次設定大小便收集裝置
楊利偉在太空沒有上廁所，“神六”首次在軌道艙里裝備了大小便收集器。在太空上廁所是個麻煩事。上次飛行中楊利偉使用了類似“尿不濕”的小便收集裝置。“神六”增加了一個大小便收集器，能夠強力吸走排泄物，同時通過除臭裝置除去異味。
首次全面啟動環控生保系統
“神六”首次全面啟動了環境控制和生命保障系統。通過110多項技術改進，這艘飛船提高了冷凝水汽的能力，確保飛船濕度控制在80％以下；改進了座椅的著陸緩衝功能，不僅保護了航天員，還能讓航天員在返回途中靠座椅提升仍然可以看到舷窗外的情況。
首次增加火箭安全機構
與上一枚火箭相比，發射“神六”的長二F火箭有75項技術改動，更加安全、可靠和舒適，也有了更多的功能。為了確保航天員的安全，這枚火箭第一次在逃逸發動機上增加了安全機構，防止火箭誤點火等現象的發生，進一步提高了火箭發射的安全性。
首次安裝了攝像頭
發射“神六”的長二F火箭上第一次安裝了攝像頭，可以把火箭從起飛到船箭分離等動作的畫面實時傳回，以幫助地面更加準確地觀測和判斷火箭狀態。這一次在火箭上增加了兩個攝像頭，一個裝配在整流罩內，一個則被安裝到火箭外面。
首次啟用副著陸場
與“神五”著陸場系統相比最大的不同在於，“神六”飛行任務首次全面啟用了位於酒泉附近的副著陸場。由於目前技術條件的限制，還無法對多天內的氣象變化進行精確預報。因此，在選擇飛船著陸時間時，無法保證主著陸場的氣象條件適合降落。副著陸場與位於內蒙古中部草原四子王旗的主著陸場相隔1000公里，可以起到氣象備份的作用。
首次啟動圖像傳輸設備
火箭的監視器——車載遙測站分布在酒泉、渭南、青島三地，主要負責運載火箭發射飛行全過程中遙測測量任務，這些數據可以使地面指揮人員實時掌握火箭的運行狀態。這次分布在酒泉的設備中新增了圖像傳輸設備，是由我國自主研發並第一次使用。這一設備能夠將發射過程的圖像實時傳送到地面，這和以前只能通過三維動畫來模擬火箭的飛行狀態相比，是一個大的飛躍。
首次使用新雷達
“神六”的主著陸場首次使用了LAP－3000風廓線雷達和102米高的測風塔，大大提高了對淺層風的預報精度。
首次全程直播載人發射
在“神六”發射過程中，中央電視台組織了強大的陣容，首次直播了載人航天發射的全過程，讓全國人民乃至全世界都看到了“神六”精彩的表演。
新華網北京１０月１７日電題：中國神舟新跨越（新華社記者陳輝、吳登峰）２００５年１０月１７日，也就是中國飛天第一人楊利偉凱旋兩年零１天之後，費俊龍、聶海勝平安返航。與首次載人航天飛行相比，中國神舟實現了新的跨越。火箭——數字、畫面與聲音把神舟六號載人飛船送入太空的長征二號Ｆ型運載火箭與發射神舟五號飛船的那枚火箭相比，在運載質量、安全性能、舒適性以及圖像實時測量系統等諸多方面進行了７５項技術改進。
要把１公斤的東西送入軌道，火箭就得消耗６２公斤。神六飛船比神五重了２００多公斤，因此發射神六的火箭也重了許多。火箭的可靠性為０．９７，安全性為０．９９７。第一次在點火通道里又加上了一道“保險門”。這樣，在出現誤點火信號的情況下，即使火工品爆炸了，也無法點燃發動機。科研人員還找到了改善振動環境的最佳途徑，減少了火箭在飛行過程中振動給航天員造成的損害。火箭第一次安裝了圖像實時測量系統，可以把火箭從起飛到船箭分離等動作的畫面實時傳回，以幫助地面更加準確地觀測和判斷火箭狀態。
運載火箭系統總設計師劉竹生：“如果楊利偉再次乘坐我們的火箭，肯定會覺得舒服多了。”飛船——數字、畫面與聲音軌道艙和返回艙內有效空間不足１０多立方米，卻安裝了６００多台設備，僅光電纜線的總長度就有３０公里左右。神舟六號飛船在保持原有技術特點的基礎上，根據兩人多天飛行任務的需要以及個別技術的發展，做出了四個方面１１０項技術改進，使費俊龍和聶海勝在太空中生活得更舒適。
準備了足量甚至餘量的航天員消耗品，提高了座艙的環境控制能力。一人一天呼出近一升水，神舟六號提高了對水汽冷凝的能力，擴大了冷凝水箱，把所有裸露管線都貼上了吸水材料，確保飛船濕度控制在８０％以下。放置了很多航天員生活的必需品，並首次使用了大小便收集裝置。返回艙中航天員的座椅擁有了著陸緩衝功能，飛船中安裝了艙門密閉快速自動檢測裝置，並花費了數月時間研製出一種專用抹布，這種布不產生纖維、靜電、異味，專門用來清潔艙門。
中國載人航天工程總設計師王永志說：“像前５次飛行一樣，神舟六號也具有考核各系統、發現問題從而進一步完善工程性能的作用，”航天員——數字、畫面與聲音航天員在太空中一個筋斗，就是３５０多公里，這相當於一個北京市出租汽車司機一天的行程。費俊龍和聶海勝在太空中，看到了７６次日起日落，日行程６７５６６４公里。５晝夜的太空之旅，費俊龍和聶海勝不僅成了中國載人航天史上行程最遠的人，而且在太空中創造了一項又一項的記錄：第一次進行多人多天太空飛行試驗；第一次進入軌道艙；第一次實施對地觀測、海洋污染監測、大氣狀況監測、植被狀況監測以及生物科學和材料科學的研究；第一次在太空完成壓力服穿脫試驗、吃上熱食和復水食品……航天員費俊龍：“我們互相選擇了對方。我們在一起很愉快。”航天員聶海勝：“信心來自彼此的默契。”人才——數字、畫面與聲音神舟六號各系統出現了一張張新面孔。神舟五號七大系統總指揮、總設計師平均年齡５３．６歲，神舟六號為４８．７歲，平均年齡下降了５歲。(用領導的歲數來當神舟六號年齡）
載人航天工程總設計師王永志：“中國載人航天工程的一個重大成就在於，用十幾年時間培養了一支新的航天人才隊伍。現在，飛船、火箭隊伍中３５歲以下的人已經占８０％。這支隊伍是在載人航天工程這個高度嚴格的環境和偉大的精神氛圍培育中成長起來的。把擔子交給他們，我們這代人很放心。”
