9月20日22時08分，在成功發射約6.5小時后，由航天科技集團五院（以下簡稱五院）抓總研制的天舟三號貨運飛船在GNC（制導導航與控制）系統的控制下，與空間站組合體完成了自主快速交會對接。
相較于天舟二號，天舟三號升級了多項技術，如將制導導航與控制系統的控制器硬件進行了性能升級，計算能力大幅提升，控制器軟件優化設計了多項功能，進一步提高了飛船在復雜工況下的全自主能力。天舟三號配置進一步優化，增刪和升級了部分設備，在提高系統可靠性的同時降低成本。作為貨運飛船的第二次應用性飛行，與天舟二號一樣，天舟三號和空間站的對接也采用“全相位全自主快速交會對接方案”，即飛船無論是遠距離導引還是近距離交會，都是全自主智能完成，全程無人工干預。
天舟三號與空間站組合體的成功對接全面驗證了各項技術升級的正確性，是全相位全自主快速交會對接技術的又一次成功實踐。隨著空間站從建造階段到長期運營階段的過渡，在已經實現的設計、測試、發射等流程標準化基礎上，貨運飛船系列型譜將趨于標準化。后續天舟貨運飛船GNC系統將采用相同的標準化系統配置，以適應后續貨運飛船批量化研制。天舟貨運飛船GNC系統也將更加成熟穩定，以適應空間站長期高頻次貨物運輸需求，助力中國空間站建設。
