เวลา 15.10 น. ของวันที่ 20 กันยายนตามเวลาปักกิ่ง จรวดขนส่งลองมาร์ช 7 วาย 4 ถูกยิงจากศูนย์ยิงส่งเหวินชาง เพื่อนำยานขนส่งอวกาศเทียนโจว-3 ขึ้นสู่ห้วงอวกาศ โดยหลังผ่านไปประมาณ 597 วินาที ยานขนส่งได้แยกตัวจากจรวดและเข้าสู่วงโคจรตามกำหนด ต่อจากนั้น เวลา 15.22 น. แผงพลังงานแสงอาทิตย์บนยานได้กางออกและเริ่มทำงานตามปกติ แสดงถึงผลสำเร็จในการยิงส่งอีกครั้งของจีน ต่อไป ยานอวกาศขนส่งเทียนโจว-3 จะเชื่อมต่อกับสถานีอวกาศบนวงโคจร
นับเป็นภารกิจยิงส่งครั้งที่ 20 ของโครงการการบินอวกาศพร้อมมนุษย์ของจีน และก็เป็นการบินครั้งที่ 289 ของจรวดขนส่งรุ่นลองมาร์ช
Yim/LR/Cui