刘洋与另一名女航天员王亚平均通过了神舟九号飞行任务乘组的初选。2012年3月28日，乘组名单确定。根据最终考核结果，刘洋入选乘组，代号03；任务安排上，02号航天员景海鹏是指令长，对乘组和任务完成全面负责；01号刘旺为交会对接航天员，主要负责完成飞船与天宫的手控交会对接；03号刘洋则主要负责空间医学实验的管理。

神舟九号于北京时间2012年6月16日18时37分24秒在甘肃酒泉卫星发射中心成功发射升空。6月18日14时14分，在完成捕获、缓冲、拉近和锁紧程序后，神舟九号与天宫一号紧紧相牵，中国首次载人交会对接取得成功，首位航天员于17时07分进入天宫一号。6月24日12时许，航天员刘旺驾驶飞船，成功与天宫一号对接，中国首次空间手控交会对接试验成功。6月29日10时03分，神舟九号返回舱在四子王旗着陆场成功着陆，刘洋等3名航天员安全返回。

刘洋进入太空的时间正好与人类历史上第一位女性宇航员瓦莲京娜·捷列什科娃进入太空的时间整整相隔49年，瓦莲京娜·捷列什科娃于1963年6月16日单独乘坐“东方六号”宇宙飞船进入太空。据不完全统计，截至2012年“神九”发射前，全世界已经有56名女航天员上天，其中美国46名，前苏联和俄罗斯3名，加拿大和日本各2名，英国、法国和韩国各1名。

2013年2月27日，当选第十二届全国人大代表，并现身于解放军代表团。10月28日出席第十一届妇女代表大会，身穿制服显示已晋升中校军衔。2016年8月，当选为全国妇联兼职副主席。

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