Vào ngày 24 tháng 4 năm 2025, sứ mệnh Thần Châu 20 đã đưa ba phi hành gia lên Trạm Vũ trụ Thiên Cung của Trung Quốc, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nỗ lực khám phá không gian của quốc gia. Đội trưởng phi hành đoàn là Trần Đông, người đã có chuyến bay thứ ba vào vũ trụ, cùng với các phi hành gia lần đầu tiên là Trần Trung Thụy và Vương Kiệt. Sau khi đến nơi, phi hành đoàn Thần Châu 20 đã tiếp quản hoạt động từ đội Thần Châu 19 sắp mãn nhiệm, đội trước đó đã ở trên Thiên Cung trong 175 ngày. Đội mới dự kiến sẽ ở lại trạm trong khoảng sáu tháng, tập trung vào các thí nghiệm khoa học và thử nghiệm công nghệ.
Vào tháng 6 năm 2025, các phi hành gia Trần Đông và Trần Trung Thụy đã thực hiện chuyến đi bộ ngoài không gian thứ hai (EVA) của sứ mệnh. Chuyến đi bộ ngoài không gian này nhằm mục đích nâng cấp cánh tay robot của trạm, được gọi là Chinarm, một phần quan trọng cho các nhiệm vụ bảo trì và lắp ráp trong tương lai. Vào ngày 15 tháng 8 năm 2025, các phi hành gia Trần Đông và Vương Kiệt đã thực hiện chuyến đi bộ ngoài không gian thứ ba, kéo dài gần sáu tiếng rưỡi để lắp đặt thiết bị bảo vệ chống mảnh vỡ và kiểm tra thiết bị bên ngoài. Với nhiệm vụ này, Trần Đông đã thực hiện tổng cộng sáu chuyến đi bộ ngoài không gian, trở thành phi hành gia Trung Quốc có nhiều chuyến đi bộ ngoài không gian nhất. Phi hành đoàn Thần Châu 20 đã đạt một nửa hành trình của sứ mệnh, với nhiều thí nghiệm khoa học đã được tiến hành. Giai đoạn tiếp theo sẽ tập trung vào nghiên cứu và thử nghiệm công nghệ trong các lĩnh vực như khoa học sự sống trong không gian, vật lý vi trọng lực, vật liệu không gian, y học vũ trụ và các công nghệ vũ trụ tiên tiến.
Sự hỗ trợ của trí tuệ nhân tạo (AI) cũng đóng một vai trò quan trọng trong sứ mệnh này. Mô hình AI lớn có tên Wukong AI, được đưa lên trạm vũ trụ bởi tàu chở hàng Thiên Châu 9 vào ngày 15 tháng 7, đã được phi hành đoàn Thần Châu 20 sử dụng để hỗ trợ chuẩn bị cho các hoạt động ngoài không gian. Đây là lần đầu tiên trạm vũ trụ của Trung Quốc áp dụng và xác minh công nghệ mô hình AI quy mô lớn, cho thấy tiềm năng của AI trong việc hỗ trợ các nhiệm vụ không gian phức tạp. Sứ mệnh Thần Châu 20 nêu bật năng lực ngày càng tăng của Trung Quốc trong lĩnh vực khám phá không gian, tiếp nối các thành tựu trước đó như hạ cánh thành công tàu thăm dò lên Sao Hỏa và một tàu khác lên mặt trăng, đồng thời củng cố kế hoạch đưa con người lên mặt trăng vào năm 2030.