把出舱变成一次完整飞行试验
神舟七号的主要目标，是让中国航天员在轨道飞行中离开密封舱，验证舱外活动所需的航天服、气闸舱、人员协同和地面保障。2008年9月24日，任务总指挥部在酒泉卫星发射中心公布方案：三人乘组中，两人进入轨道舱准备出舱，一人实际在舱外活动，并回收安装在外部的试验样品装置。任务同时安排卫星伴飞和“天链一号”数据中继试验。
这要求多套系统共同工作。航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信和着陆场七个系统在发射前完成综合演练。飞船轨道舱增加气闸功能，使人员能够完成减压、开舱与恢复舱内环境等操作；中国航天科技集团公司的火箭团队则在此前三年多研制中改进了飞行初段的振动抑制。
发射、变轨与三人的分工
北京时间2008年9月25日21时10分04秒，长征二号F运载火箭从酒泉发射，送翟志刚、刘伯明和景海鹏进入太空。26日凌晨，飞船变轨进入约343公里高的近圆轨道。发射与轨道调整完成后，乘组检查飞船状态，开始组装、测试舱外航天服，并进行在轨操作准备。
翟志刚使用中国研制的“飞天”舱外航天服，刘伯明使用从俄罗斯引进的“海鹰”舱外航天服，两人在轨道舱配合。景海鹏留在返回舱监视和管理飞船。舱外服需要在真空中提供生命保障和操作能力；两种服装在同一任务中工作，也涉及中俄双方的技术支持。
9月27日的开舱与样品回收
9月27日，地面在16时34分发出开始出舱活动的指令。按当晚任务新闻发布会公布的记录，翟志刚于16时35分12秒打开舱门，16时41分成功出舱。他在舱外展示国旗，并取回试验样品装置；刘伯明在舱口协助。
这些动作把服装供氧、天地通信和舱外操作放到同一次真实空间作业中检验。翟志刚完成任务后返回轨道舱，17时00分35秒关闭舱门。随后地面飞控中心进行医学检查，确认三名航天员工作正常、身体状况良好；飞船则继续执行伴星释放和数据中继等后续试验。
参考：[3]
从飞船外拍摄到相对绕飞
27日晚，飞船释放约40公斤的伴飞卫星。它由载人航天工程空间应用系统负责，中国科学院上海微小卫星工程中心研制。释放后约20分钟的近距离成像阶段，使地面获得从另一航天器观察神舟七号的图像。随后，试验转向对留轨轨道舱的相对运动与绕飞控制。
陈宏宇等人的技术论文介绍了伴星采用的多结太阳电池、锂离子电池、微型液氨推进系统和双焦距可见光相机等设备。任务完成通报进一步给出实际结果：地面在10天内实施七次轨道控制，伴星完成25圈绕飞，检查了计算、预报与控制相对轨道的办法。这种绕飞提供了近距离观测和双飞行器管理的数据，并非一次交会对接。
乘组返回后的试验尾声
9月28日下午，神舟七号返回舱在内蒙古主着陆场着陆，三名航天员健康出舱。新华社当晚的任务报道记载，载人飞行持续2天20小时27分，绕地球45圈。任务总结同时报告飞船、火箭、两种舱外服，以及“天链一号”中继卫星和船载终端工作正常。
乘组返回并不意味着伴星立即停止运行。伴星在2008年10月8日转入长期管理阶段，继续进行平台技术试验；到2009年10月30日再入大气层时，累计在轨约400天、绕地球约6350圈。神舟七号因此包含相互衔接但结束时间不同的两段工程实践：短期载人出舱飞行，以及释放后延续一年的微小卫星试验。