Den första steg booster, som tidigare användes på ett uppdrag för 11 månader sedan, hjälpte till att skicka en telekommunikationssatellit i omloppsbana från Floridas Kennedy Space Center.
Det markerar en viktig milstolpe för SpaceX i dess strävan efter återanvändbarhet.
Traditionellt sett är raketer utbytbara - deras olika segment kastas och förstörs under en uppstigning.
Kalifornien outfit, däremot, syftar till att återställa Falcon första steg och flyga dem flera gånger för att försöka minska kostnaden för sin verksamhet.
Och för att betona denna punkt togs även torsdagens booster tillbaka under kontroll för att landa på en pråm stationerad ute i Atlanten.
"Jag tycker att det är en fantastisk dag för rymden", sade Elon Musk, chef för SpaceX.
"Det innebär att du kan flyga och flyga en bana klass booster, vilket är den dyraste delen av raketen. Detta kommer förhoppningsvis att bli en enorm revolution inom rymdfärden."
Uppskjutningen hade ägt rum vid 18:27 EDT (22:27 GMT; 23:27 BST).
Satellitpassageraren SES-10 sköts ut 32 minuter senare.
Denna rymdfarkost manövreras nu av sitt eget raketsystem till en position över ekvatorn varifrån den kan leverera TV- och telekomtjänster till Västindien, Brasilien och andra regioner i Central- och Sydamerika.
SpaceX har blivit skicklig under de senaste två åren på att ta första steget boosters hem efter att de har avslutat sin primära uppgift att få en nyttolast ut ur de tjockare lägre-reaches av atmosfären.
Segmenten styr sig autonomt tillbaka till den flytande plattformen eller en kustdyna för att göra impulsiva landningar.
Torsdagens uppdrag var första gången ett av dessa "flygbevisade" fordon hade sjösatts på nytt.
Andra landade raketer kommer nu att användas på framtida uppdrag. Sex till i år, troligen.
Vissa kunder kan fortfarande insistera på en helt ny raket, men om SpaceX kan visa rutin, problemfri prestanda från dessa begagnade fordon då satellitoperatörer kommer att bli allt bekvämare med konceptet.
Att komma bort från förbrukade raketer har varit ett långt uppdrag.
Nasas rymdfärja var delvis återanvändbar.
Dess vita strap-on boosters, till exempel, skulle fallskärm in i Atlanten efter varje uppskjutning. Höljen av dessa boosters sedan renoverades och återanvändes många gånger.
Och ändå var det svårt att sköta skyttelsystemet efter varje flygning som gjorde besparingar.
SpaceX hoppas att dess enklare Falcon 9 raket äntligen kan leverera en praktisk kommersiell lösning. Den tror att dess teknik så småningom kommer att tillåta snabb omsvängning, med boosters flyger kanske 10 gånger innan pensionering; kanske upp till 100 gånger med en viss nivå av renovering.
"Med detta var den första re-light vi var otroligt paranoid om allt," Mr Musk sade.
– Kärnan i flygkroppen förblev densamma, motorerna var desamma - men alla hjälpkomponenter som vi trodde kunde vara lite tveksamma, ändrade vi oss. Nu kommer vår strävan att bli noll maskinvarubyten, omflygning om 24 timmar - det enda som förändras är att vi laddar om drivmedlet."
SpaceX hoppas att dess enklare Falcon 9 raket äntligen kan leverera en praktisk kommersiell lösning. Den tror att dess teknik så småningom kommer att tillåta snabb omsvängning, med boosters flyger flera gånger innan pensionering.
Andra spelare följer efter. Amazon entreprenören Jeff Bezos redan har en återanvändbar sub-orbital raket och kapselsystem som han har framgångsrikt lanserat och landat fem gånger.
Mr Bezos planerar nu en bärbar raket kallad New Glenn. Och United Launch Alliance, som sätter upp majoriteten av USA: s nationella säkerhets nyttolaster, är i färd med att utforma ett nytt fordon som kommer att returnera sina motorer till jorden via fallskärm.
Allt detta är välkomna nyheter för liknande Luxemburg satellitoperatör SES, som är tvungen att köa upp för raketfärder och vänta många månader för att få sina värdefulla tele rymdfarkoster i omloppsbana och tjäna intäkter.
"Det är en stor grej för oss. Om vi kan få tillförlitlig återanvändbarhet då kommer vi att få bättre hantering av manifestet, säger Martin Halliwell, teknikchef för SES.
"Vi gjorde lite historia idag, faktiskt. Vi öppnade precis dörren till en helt ny era av rymdfärder,"
Jonathan.Amos-INTERNET@bbc.co.uk och följ mig på Twitter: @BBCAmos
Kaliforniens SpaceX företag har framgångsrikt åter flugit ett segment från en av sina Falcon 9 raketer.