神舟六号飞船于北京时间（UTC+8）2005年10月12日上午9:00在酒泉卫星发射中心发射升空，费俊龙和聂海胜两名中国航天员被送入太空，预计飞行时间为5天。先在轨道倾角42.4度、近地点高度200公里、远地点高度347公里的椭圆轨道上运行5圈，实施变轨后，进入343公里的圆轨道，绕地球飞行一圈需要90分钟，飞行轨迹投射到地面上呈不断向东推移的正弦曲线。轨道特性与神舟五号相同。
2005年10月12日17时29分，航天员费俊龙打开神舟六号返回舱与轨道舱之间的舱门，进入轨道舱开展空间科学实验。 2005年10月13日4时开始，航天员进行在轨干扰力试验，在舱内有意识加大动作幅度，以试验人的扰动对飞船姿态的影响。在进行了开关舱门、穿脱压力服、穿舱、抽取冷凝水四大项“在轨干扰力”试验后，航天员的活动对飞船姿态的影响很小，飞船可保持正常飞行，不需纠正飞船姿态。 2005年10月14日清晨，神舟六号在第30圈进行变轨后的首次轨道维持，即根据轨道精测参数进行微量调整，使飞船回到预定的正常轨道。维持时，神六发动机共点火6.5秒，将飞船抬高了800米。 2005年10月15日16时29分，胡锦涛与航天员费俊龙、聂海胜通话。18时05分，航天员向北京航天飞控中心传送他们拍摄的飞船太阳能帆板的数字图像。
完成预定飞行任务后，飞船采用升力再入方式返回内蒙古四子王旗的主着陆场。神舟六号载人飞船返回地面需要经历4个阶段：制动飞行阶段、自由滑行阶段、再入大气层阶段、着陆阶段。在此次绕地飞行中，“神舟六号”的轨道舱与返回舱分离后，还将继续在轨飞行六个月时间，进行一系列科学实验。 由于第一次的载人航天器神舟五号在太空只飞行了一天，主着陆场的天气变化可及时准确预测，因此未曾启用副着陆场；神舟六号飞船将在太空飞行多天，气象难以准确预测，因此酒泉卫星发射中心的副着陆场将启用作后备着陆地点。为迎接飞船随时可能返回，地面共设置了13个着陆点。除内蒙古四子王旗和酒泉卫星发射中心主、副两个着陆场外，国内外还有11个应急着陆场。着陆场系统包括主、副着陆场分系统，陆上应急搜救分系统，海上应急搜救分系统，通信分系统和航天员医监医保分系统这5个分系统。 参与航天员搜救的装备包括：搜索救援直升机、搜索救护直升机、搜索摄录直升机、指挥调度车、航天员医监医保车、工程运输车、航天员运输车、返回舱吊车和小型搜索车。 为保证神六和两名太空人安全回家，设计了4把巨型降落伞。返回舱在降落过程中，至少要先后打开引导伞、减速伞、主伞共3把伞，如果有必要，还要打开第4把备份伞。太空船返回舱降落伞能否顺利打开，直接关系着回收的成败。主伞不能一下子全部打开，否则会被高速气流吹破，返回舱也会被摔烂。太空船落地后也并非万事大吉，如果巨大降落伞被风吹鼓，就可能拖着返回舱快速滚动。为保证安全，返回舱落地一刹那间，太空人发出指令，舱上的切割器会切断伞绳吊带，让降落伞独自飘落，保证返回舱不被伞拖走。 另外，根据神舟五号太空人杨利伟提出的意见，为使神舟六号着陆时对太空人的冲击降至最小，舱内太空人的座椅还首次安装了「赋形减震坐垫」——根据太空人形体不同特征量体制造的吸能座垫，可在发生撞击瞬间迅速分散人体的应力，避免人体损伤。 在2005年10月17日凌晨3时44分，太空船轨道舱与返回舱成功分离，并在3时45分，飞船的发动机成功点火，开始回航。在4时07分飞船推进舱与返回舱成功分离，返回舱自行重返地球。 在着陆期间，在四子王旗主着陆场的夜空一直有一个光点，仿如流星划过夜空。返回舱在4时13分经过大气层时，产生高温，形成通讯黑障区，一度暂停与控制中心联络，长达3分钟。在4时20分，返回舱打开主降落伞，在四子王旗主着陆场慢慢降落，在4时33分返回舱成功降落，2名太空人费俊龙、聂海胜并向控制中心报平安，控制中心工作人员鼓掌庆祝。在约半小时后，搜救直升机首先发现返回舱，实际着陆地点较预计相差仅1公里。工作人员打开返回舱门后，医疗人员为2名太空人检查身体，并建议2人可以自行出舱。 与神舟五号太空人杨利伟不同，费俊龙首先穿着太空衣，自行爬出返回舱，向现场工作人员招手。聂海胜亦爬出舱门，走下铁梯。2人坐在椅子上，接受工作人员献花，并感谢大家的关心及热爱，费俊龙表示，这次太空之旅非常顺利，他们在太空舱内的工作及生活很好，现在身体状况不错。2名太空人在太空逗留了115.5小时，是神舟五号太空船飞行时间的5倍多，创造中国人在太空逗留最长的时间，圆满结束中国首次「多人多天」特点的太空旅程。费俊龙及聂海胜重返地面后，被直升机接走，跟着由专机送返北京，暂时被隔离14天。
