9月20日22时08分，天舟三号货运飞船采用自主快速交会对接模式，成功对接于空间站天和核心舱后向端口，整个过程历时约6.5小时。
天舟三号任务是空间站关键技术验证及建造阶段的第二次货物运输应用性飞行。飞船为满载状态，装载了可支持3名航天员6个月的生活物资、舱外航天服及出舱消耗品、空间站平台物资、部分载荷和推进剂等。与天和核心舱及天舟二号组合体完成交会对接后，转入三舱（船）组合体飞行状态。
天舟三号货运飞船总师助理方方介绍，由于神舟十三号乘组要在天上待6个月，比天舟二号的时间多了整整1倍，尤其是食品、水、生活用品等是天舟二号的3倍。这次天舟三号上行载货的航天员生活物资超过了3吨。特别是，为神舟十三号乘组的女航天员准备了针对女性的服装类、卫生用品、化妆品。
同时，天舟三号还携带了“金贵”的舱外航天服，为航天员提供太空中生存所需的供氧、调温、辐射防护等，重达90多千克，价格也相当可观。货运飞船系统为了上行运输这套“装备”，专门设计了舱外服支架，保证其运输过程中不会损坏“一针一线”。
此外，天舟三号还携带了补加推进剂等上行物资，在停靠期间具备并网供电能力，可以为空间站提供供电支持。
天舟三号的成功发射完成了我国载人航天工程的第20次发射任务。9月20日15时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。
