神舟五號載人飛船發射準備階段，經專家組無記名投票，楊利偉以其優秀的訓練成績和綜合素質，被選入３人首飛梯隊，并被確定為首席人選。在被確定為首飛梯隊后，楊利偉更加努力地全身心投入到強化訓練之中。那段日子里，他大部分的時間都呆在飛船模擬器里，熟悉艙內的各種設備和電路，牢記飛行指令。

功夫不負有心人，在５次正常飛行程序考試中，他獲得了２個９９分、３個１００分的好成績，專業技術綜合考評排名第一。正因為楊利偉對飛船飛行程序和操作程序爛熟于心，在２１小時２３分鐘的飛天之旅中，他的全部操作沒有出現一次失誤。

２００３年１０月１５日９時整，隨著零號指揮員“點火！起飛！”口令的下達，火箭托舉著飛船和飛船里的楊利偉徐徐升空。次日清晨，神舟五號飛船返回艙在預定地點準確著陸。楊利偉邁出艙門時說的第一句話是：“我為祖國感到驕傲！這是祖國歷史上輝煌的一頁，也是我生命中最偉大的一天。”

２００３年１１月７日，中共中央、國務院、中央軍委授予楊利偉“航天英雄”榮譽稱號和“航天功勛獎章”。

２００５年，楊利偉出任中國航天員科研訓練中心副主任。備戰神舟六號、神舟七號任務期間，他積極指導航天員訓練，還提出了航天員在飛行中操作“零失誤”的選訓目標，組織領導了航天員教員培訓和資格認證工作，并在神六、神七飛行乘組選拔中發揮了重要作用。神六、神七任務完成后，他具體領導組織了中國第二批航天員的選拔工作。

２００８年，楊利偉晉升少將軍銜。２０１０年，楊利偉被任命為中國載人航天工程辦公室副主任。