鉴于第二次无人飞行试验的结果，对“神舟”-3号飞船作了改进。“神舟”-3号可以称作改进型飞船，不久又进行了第三次无人飞行试验，“神舟”-3号飞船参加的第三次无人飞行试验，其主要任务有以下三项：

（1）进一步考核飞船工程各系统的性能、可靠性与安全性，考核系统之间的协调性；

（2）考核飞船的载人环境，特别是热控制、环境控制和生命保障和乘员分系统。在“神舟”-3号飞船的轨道舱和返回舱内装有拟人载荷系统，可以模拟航天员的呼吸、心跳、话音、耗氧、产生热量等多种太空生活的重要生理参数和生理效应，并随时受到飞船上有关系统和地面指挥控制中心的监控。

  （3）考核逃逸与应急救生功能。逃逸与应急救生功能是指在飞船的待发射段和发射段，如果运载火箭出现危及航天员生命的故障时，可将航天员脱离危险区，并使航天员乘返回舱安全降落地面。逃逸救生任务由运载火箭、飞船等系统共同完成。

    “神舟”-3号飞行试验的技术状态与载人飞行的技术状态基本一致。与第二次飞行试验相比，主要是增加了待发段和发射段应急救生功能。

    “神舟”-3号飞船的构型为“三舱一段”，即附加段、轨道舱、返回舱和推进舱，与“神舟”-2号飞船构型一致。三舱均为正样产品，电缆网为模块化设计，轨道舱和附加段具有留轨功能。

    “神舟”-3号飞船是由十三个分系统和供配电组成的全系统配置。全船共有设备592台（套）（不含总装直属件、管路、热控包覆、传感器等）；船上计算单元及智能芯片数量123个，软件总数60个，121个模块，约70万条语句。

    北京时间2002年3月25日22时15分，在甘肃酒泉卫星发射场，“长征”-2号F捆绑式大推力运载火箭携带着“神舟”-3号飞船起飞，约十分钟后，“神舟”-3号飞船进入一预定的椭圆轨道。

    飞船入轨后，飞船消除船箭分离干扰产生的姿态偏差，其后飞船的推进舱太阳电池阵和轨道舱太阳电池阵相继展开，推进舱太阳电池阵捕获并跟踪太阳，为飞船提供充足的电源。

    在运行到第五圈时，飞船实施变轨，将轨道变为近圆轨道。其后在运行过程中又进行两次轨道维持，使第108圈的返回轨道刚好经过飞船着陆场的上空。

    在飞船飞行的七天七夜中进行了大量的工程试验项目的考核，飞船内的温度、压力、含氧量等各项指标，均在设计的正常范围之内。

    在飞船绕地球运行107圈时，飞船即将结束运行阶段，准备返回地面。飞船根据地面注入的指令，成功地进行了第一次调姿、轨道舱分离、第二次调姿、飞船制动、推进舱分离等一系列动作后，返回舱在进入大气层前调整到配平攻角状态，并以升力控制方式控制飞船到达十公里高度的预定星下点。

    “神舟”-3号飞船返回舱在距地面25公里的高度又接受了地面最后一道指令：“打开回收主开关”，此时舱上回收系统全面启动，当返回舱距地面约10km高度时，抛掉伞舱盖、拉出引导伞，引导伞拉出减速伞，抛掉减速伞、减速伞再拉出伞，飞船以约每6m/s～8m/s的速度徐徐下降。在飞船飞到离地面约5km高度时，飞船返回舱大头一侧的直径约25m的防热大底被抛掉，返回舱上露出了着陆缓冲发动机。在返回舱距地面约1m时，着陆缓冲发动机工作，使飞船缓缓着陆。飞船着陆的时间为4月1日16时51分。

    “神舟”-3号返回舱以垂直状态着陆见图。为了保证返回舱不被因风吹张满的降落伞拖走，返回舱着陆后伞上的切割器及时切断了伞绳，着陆场搜索人员进入着陆区进行搜索。

    着陆场搜索人员很快地发现了返回舱并立即进行了检查。从现场情况看，着陆缓冲发动机在飞船着陆前工作正常，返回舱落地后结构良好，舱体密封良好，舱内仪器设备安装状态没有发现变化，舱壁防热结构完好无开裂。科技人员在现场开启了返回舱，取出了细胞生物反应器和蛋白质实验装置，对其实施了保护措施，并立即用专机送回北京。

     装在“神舟”-3号飞船返回舱内的乌鸡蛋，经过7天的太空环境的考验，回到了地面。经过太空旅行的乌鸡蛋在地面成功地孵化出来。

    “神舟”-3号的留轨舱（即轨道舱和附加段）在轨道上运行约五个月，各系统工作正常，有效载荷试验已取得了初步成果。飞行试验的成功进一步验证了飞船总体方案的正确性；第五圈变轨及轨道控制策略的正确性；回收伞系统设计改进及回收系统的正确性；降低轨道舱泄压干扰措施的有效性；轨道舱百叶窗改进舱温措施的有效性以及飞船系统与载人航天工程其他系统间的协调关系，考核了与人有关的舱内环境；待发段及上升段逃逸救生功能（值班状态）；返回控制及相关技术的正确性和准确性；整船及分系统的可靠性及安全性。这些成果为“神舟”号飞船的载人飞行奠定了技术基础。