De tweede onbemande Shenzhou testvlucht ging op 9 januari 2001 van start. Vanop de Jiuquan lanceerbasis in de Gobi woestijn werd de tweede CZ-2F raket gelanceerd met daar bovenop de tweede Shenzhou onbemande ruimtecapsule.
Tijdens deze tweede testmissie werden een aapje, een hond en een konijn aan boord gebracht van de Shenzhou 2 terugkeercapsule zodat de ingenieurs de veiligheid en levensomstandigheden van dit ruimtetuig konden controleren. In totaal verbleef het complete ruimtetuig 6 dagen in een baan om de Aarde waarna de terugkeercapsule terugkeerde in de atmosfeer terwijl de Orbital Module maar liefst nog eens 220 dagen in de ruimte verbleef alvorens deze opbrandde in de dampkring.
Behalve de diertjes die zich aan boord van de Shenzhou 2 ruimtecapsule bevonden, werden er maar liefst 64 wetenschappelijke experimenten ondergebracht in dit ruimtetuig. Vijftien bevonden zich in de terugkeercapsule, 12 in de Orbital Module en 37 experimenten werden gemonteerd aan de buitenzijde van de Orbital Module waarbij men ondermeer onderzoek verrichtte naar kristallen en organismen. Tijdens de missie werden ook verschillende geluidsbanden afgespeeld vanuit de Shenzhou 2 ruimtecapsule om op deze manier de communicatie te testen tussen het ruimtetuig en het vluchtleidingscentrum. Na zijn geslaagde lancering op 9 januari 2001 werd deze tweede Shenzhou ruimtecapsule in een baan om de Aarde gebracht op een hoogte van 196 op 333 kilometer. Twintig uur na zijn lancering bracht het tuig zichzelf in een hogere baan op een hoogte van 327 op 332 kilometer. Later volgden op 12 januari en 15 januari nog eens twee baanmanoeuvres. Op 16 januari koppelde het ruimtetuig de drie modules van elkaar los. De terugkeercapsule kreeg het signaal, van een volgschip dat zich voor de kust van Zuid Afrika bevond, om te beginnen aan zijn afdaling in de atmosfeer. Uiteindelijk landde de Shenzhou 2 terugkeercapsule, na 7 dagen en 10 uur in de ruimte te hebben verbleven, terug op Aarde in Mongolië. Aangezien er geen foto’s of beelden bekend gemaakt werden van deze terugkeer of de terugkeercapsule, vermoeden sommige dat deze laatste fase van de Shenzhou 2 missie niet zonder problemen verliep. De nieuwsdienst van het Zweedse ruimtevaartagenstchap maakte na deze missie bekend dat een anonieme bron het agentschap had laten weten dat er een probleem was opgedoken met de parachute tijdens de afdaling van de terugkeercapsule waardoor de capsule zelf een harde landing maakte. China heeft dit nooit bevestigd. De Orbital Module verbleef nog tot 24 augustus in een baan om de Aarde waarna de module met zijn experimenten opbrandde in de atmosfeer boven Chili.
