搭載神舟二十一號載人飛船的長征二號F遙二十一運載火箭，於香港時間晚上11時44分，在酒泉衛星發射中心點火發射。
晚上8時50分，神舟二十一號出征儀式在酒泉衛星發射中心問天閣圓夢園廣場舉行。準9時正，太空人張陸、武飛、張洪章步出問天閣，向在場大批民眾揮手，領命出征。在場民眾揮動國旗、手持花束、高唱《歌唱祖國》，向3位太空人致敬。
至晩上9時34分，三名太空人完成進入核心艙。晚上11時24分，神舟二十一號發射進入20分鐘倒數，並開始進行最後的綜合檢查。晚上11時44分順利點火升空。
新華社報道，神舟二十一號載人飛船發射取得圓滿成功。 據央視直播，神舟二十一號載人飛船與火箭成功分離，進入預定軌道，航天員乘組狀態良好，發射取得圓滿成功。
根據直播畫面顯示，當神舟二十一號順利升空後，神舟二十號艙內展示了一張「歡迎隊友」的橫幅，以迎接神舟二十一號的交接。至周六凌晨零時零分，即神舟二十一號升空後大約十五分鐘，3名太空人向地面通報座艙環境正常，太空人狀況良好。周六凌晨零時03分，神舟二十一號與推動火箭分離，按計劃進入軌道；零時05分，酒泉衛星發射中心宣布，神舟二十一號載人飛船順利進入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。
至凌晨3時22分，即神舟二十一號升空之後約3.5小時，載人飛船與空間站組合體完成自主快速交會對接，成功對接於空間站天和核心艙前向端口。對接過程時間創造神舟飛船與空間站交會對接的最快紀錄。
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首次攜4小鼠升空實驗
今次神舟二十一號太空人乘組，由49歲的指令長張陸、32歲的太空飛行工程師武飛和39歲的載荷專家張洪章組成，其中「90後」武飛將成為歷來升空年齡最小的中國太空人。今次乘組將首次帶兩雌兩雄4隻老鼠升空、在軌飼養，首次進行國內嚙齒類哺乳動物空間科學實驗。
據中國載人航天工程新聞發言人張靜波介紹，此次任務主要目的是與神舟二十號乘組完成在軌輪換，在空間站駐留約6個月，開展空間科學與應用工作，實施太空人出艙活動及貨物進出艙，進行空間碎片防護裝置安裝、艙外載荷和艙外設施設備安裝與回收等。
這是繼神舟十六號太空人乘組之後，再次由3種類型太空人構成的乘組，涵蓋「70後」、「80後」、「90後」3個年齡段。指令長張陸曾執行過神舟十五號載人飛行任務，此次是時隔兩年多後重返天宮；武飛出生於1993年，曾任中國航天科技集團空間技術研究院工程師，是執行飛行任務時年齡最小的中國太空人；張洪章曾是中國科學院大連化學物理研究所研究員。
神舟二十一號按計劃，乘組在軌期間將新開展27項科學與應用項目，涉及空間生命科學與生物技術、太空醫學、空間材料科學等多個領域。其中乘組將首次在軌實施國內齧齒類哺乳動物空間科學實驗，選用兩雌兩雄4隻小鼠，隨飛船上行並進行在軌飼養，重點研究失重、密閉等空間條件對小鼠行為模式的影響。之後隨飛船返回地面，進一步開展科學研究，探索小鼠多組織器官在空間環境的應激回應和適應性變化規律。在軌駐留期間，乘組還將迎來天舟十號貨運飛船和神舟二十二號載人飛船的來訪。目前神舟二十號太空人乘組在軌駐留已188天，有望刷新中國太空人乘組在軌駐留最長紀錄。與神二十一乘組完成在軌輪換後，神二十乘組將返回東風着陸場。
