神舟五号载人飞船发射准备阶段，经专家组无记名投票，杨利伟以其优秀的训练成绩和综合素质，被选入３人首飞梯队，并被确定为首席人选。在被确定为首飞梯队后，杨利伟更加努力地全身心投入到强化训练之中。那段日子里，他大部分的时间都呆在飞船模拟器里，熟悉舱内的各种设备和电路，牢记飞行指令。

功夫不负有心人，在５次正常飞行程序考试中，他获得了２个９９分、３个１００分的好成绩，专业技术综合考评排名第一。正因为杨利伟对飞船飞行程序和操作程序烂熟于心，在２１小时２３分钟的飞天之旅中，他的全部操作没有出现一次失误。

２００３年１０月１５日９时整，随着零号指挥员“点火！起飞！”口令的下达，火箭托举着飞船和飞船里的杨利伟徐徐升空。次日清晨，神舟五号飞船返回舱在预定地点准确着陆。杨利伟迈出舱门时说的第一句话是：“我为祖国感到骄傲！这是祖国历史上辉煌的一页，也是我生命中最伟大的一天。”

２００３年１１月７日，中共中央、国务院、中央军委授予杨利伟“航天英雄”荣誉称号和“航天功勋奖章”。

２００５年，杨利伟出任中国航天员科研训练中心副主任。备战神舟六号、神舟七号任务期间，他积极指导航天员训练，还提出了航天员在飞行中操作“零失误”的选训目标，组织领导了航天员教员培训和资格认证工作，并在神六、神七飞行乘组选拔中发挥了重要作用。神六、神七任务完成后，他具体领导组织了中国第二批航天员的选拔工作。

２００８年，杨利伟晋升少将军衔。２０１０年，杨利伟被任命为中国载人航天工程办公室副主任。