Корабль Shenzhou-2 был запущен 10 января 2001 года в 1 час 00 минут по пекинскому времени (9 января 17:00 GMT) ракетой-носителем CZ-2F с космодрома Цзюцюань (Jiuquan) на северо-западе Китая. Корабль был успешно выведен на околоземную орбиту.
За время полета на борту корабля планировалось провести несколько научных экспериментов, в том числе медико-биологических, астрономических и материаловедческих. Для проведения научной программы на корабле было установлено в общей сложности 64 прибора, из них 15 - в спускаемом модуле, а 12 - в орбитальном модуле. Для проведения медико-биологических экспериментов на корабле имелась установка для выращивания протеинов, 25 образцов различных микроорганизмов, образцы клеток и клеточных структур позвоночных и беспозвоночных животных, растений, водных и наземных организмов и около 20 тыс. семян различных растений. В космос также отправились мухи-дрозофилы и шесть живых мышей.
На 14-м витке вокруг Земли, то есть примерно через 21 час после запуска, корабль Shenzhou 2 включил маневровые двигатели для перехода на круговую орбиту с начальной эллиптической орбиты. 12 января, то есть на третий день полета на корабле вновь были включены маневровые двигатели для сохранения заданной орбиты и ориентации спускаемого модуля.
Через 5 дней и 5,5 часов полета параметры орбиты Shenzhou 2 составляли 329,9 x 339,4 км с наклонением 42,6 градусов к экватору, период обращения вокруг Земли составлял 91,2 минуты.
Во время полета орбитальный модуль был отделен от корабля и остался на орбите, на которой он пребывал еще в течение 260 дней.
Спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в провинции Внутренняя Монголия на севере Китая 16 января 2001 г. в 11:22 GMT. За время полета корабль совершил 108 витков вокруг Земли и выполнил все эксперименты, предусмотренные научно-технической программой. Никаких подробностей относительно посадки не сообщается, китайское телевидение не показало никаких кадров с места приземления. Исходя из этого, некоторые иностранные эксперты полагают, что на этот раз тормозные пороховые ракеты, установленные на спускаемом аппарате могли сработать не вовремя или парашюты не раскрылись так, как должны были, что и привело к аварии при посадке. Китайские официальные лица отвергают эти предположения.