北京时间2021年9月20日15日10分，搭载天舟三号货运飞船的长征七号遥四运载火箭，在我国文昌航天发射场点火发射，约597秒后，飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，15时22分，飞船太阳能帆板顺利展开且工作正常，发射取得圆满成功。
后续，天舟三号货运飞船将与在轨运行的空间站组合体进行交会对接。这是我国载人航天工程的第20次发射任务，也是长征系列运载火箭的第 389次飞行。
据航天科技集团五院货运飞船系统总体主任设计师杨胜表示，“天舟三号和天舟二号一样也是满载上行的。这次大概带了有5吨的货，200多个货包。”