這一操作是由在地面進行了1500多次模擬訓練的43歲航太員劉旺實施的。12時38分，他開始手動控制飛船的姿態、速度和方向，使神舟九號從140米外向天宮一號緩緩接近。
對接是在陽照區進行的。北京飛控中心的實時畫面中，神舟九號散發著金屬色光芒，以倒飛姿態靠攏天宮。
在距地球343千米處實施這個類似"倒車入庫"的動作，相當於"太空穿針"，要求航太員具備極好的眼手協調性、操作精細性和心理穩定性。
記者從回傳到北京飛控中心的視頻上看到，返回艙中間座椅上的劉旺握住分別位於身體兩側的平移和姿態手柄，包裹在白色手套裏的指頭上下左右靈活撥動，從容而自信地操縱神舟九號緩緩靠近天宮一號。景海鵬、劉洋全神貫注監視面前的儀錶參數和對接靶標。
12時48分，對接機構成功接觸。
12時55分，一個多小時前剛剛分開的神舟九號與天宮一號實現剛性連接，再次形成組合體，中國首次手控空間交會對接試驗成功。
至此，在美國、俄羅斯成功進行空間交會對接試驗40多年之後，中國完整掌握了空間交會對接技術，具備了以不同對接方式向在軌航太器進行人員輸送和物資補給的能力。
作為中國第一個目標飛行器和空間實驗室，天宮一號在2011年11月與神舟八號的第一次對接，突破了自動交會對接技術。
神舟九號升空40多個小時後與天宮一號首次對接，再次驗證了自動交會對接技術。
"手動控制和自動控制是交會對接的兩種手段，互為備份，缺一不可。"載人航太工程總設計師周建平説，中國載人航太工程啟動20 年以來，先後完整掌握了天地往返、出艙活動和交會對接三大基本技術，擁有了建設空間站的基本能力。
3位航太員手拉手高舉過頭頂，向地面致意。他們將再次進入天宮一號開展空間科學實驗。
根據計劃，4天后的飛船撤離同樣以航太員手控方式進行。到29日返回時，景海鵬、劉旺、劉洋在完成神舟九號飛行使命的同時，還將創造中國載人航太史上飛行時間最長的紀錄。
