劉洋與另一名女航天員王亞平均通過了神舟九號飛行任務乘組的初選。2012年3月28日，乘組名單確定。根據最終考核結果，劉洋入選乘組，代號03； 任務安排上，02號航天員景海鵬是指令長[12]，對乘組和任務完成全面負責；01號劉旺為交會對接航天員，主要負責完成飛船與天宮的手控交會對 接；03號劉洋則主要負責空間醫學實驗的管理。神舟九號於北京時間2012年6月16日18時37分24秒在甘肅酒泉衛星發射中心成功發射升空。6月18日14 時14分，在完成捕獲、緩衝、拉近和鎖緊程序後，神舟九號與天宮一號緊緊相牽， 中國首次載人交會對接取得成功，首位航天員於17時07分進入天宮一號。6月24日12時許，航天員劉旺駕駛飛船，成功與天宮一號對接，中國首次空間 手控交會對接試驗成功。6月29日10時03分，神舟九號返回艙在四子王旗着陸場成功着陸，劉洋等3名航天員安全返回。 劉洋進入太空的時間正好與人類歷史上第一位女性太空人瓦蓮京娜·捷列什科娃進入太空的時間整整相隔49年，瓦蓮京娜·捷列什科娃於1963年6月16日單 獨乘坐「東方六號」宇宙飛船進入太空。據不完全統計，截至2012年「神九」發射前，全世界已經有56名女航天員上天，其中美國46名，前蘇聯和俄羅 斯3名，加拿大和日本各2名，英國、法國和韓國各1名。