Krótko przed zaplanowanym startem właśnie oni zostali wyznaczeni do lotu jako załoga podstawowa. w dniach 12–16 października 2005 odbył lot kosmiczny na pokładzie statku kosmicznego Shenzhou 6.
Loty kosmiczne Start do misji Shenzhou 6 nastąpił 12 października 2005 z kosmodromu Jiuquan. Fei był dowódcą załogi. Funkcję pilota pełnił natomiast Nie Haisheng. Po blisko 10 minutach pojazd kosmiczny wszedł na orbitę wokółziemską. Po wykonaniu manewru podniesienia orbity kosmonauci otworzyli właz przejściowy do modułu orbitalnego i dokonali jego inspekcji. Dopiero później obaj zdjęli skafandry. Podczas lotu obaj kosmonauci testowali wyposażenie swojego statku, prowadzili badania medyczne oraz szereg bliżej nieokreślonych eksperymentów. 16 października 2005 statek kosmiczny Shenzhou 6 pomyślnie wylądował w Chinach na terenie Mongolii Wewnętrznej.
Stowarzyszenie Uczestników Lotów Kosmicznych () przyznało mu Universal Astronaut Insignia za lot orbitalny (nr 438).