2016年9月15日，长征二号F T2火箭在酒泉卫星发射中心成功将天宫二号空间实验室发射升空。

从外形上来看，和“天宫一号”类似，都是采用以实验舱和资源舱组成的两舱构型，资源舱主要负责为“天宫二号”在太空飞行提供能源和动力。实验舱作为一个密封舱，它的主要功能是为航天员在太空生活提供洁净、温度和湿度适宜的载人环境和活动空间。

虽然，“天宫二号”同样是长期在轨自动运行、短期载人的飞行器，但是与“天宫一号”相比，它的装备更加豪华，装载量提高、内部环境更好。而且，“天宫二号”的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。

作为我国第一个真正意义上的太空实验室，“天宫二号”整个实验舱重8.6吨，设计在轨寿命两年；为满足中期驻留需要，对载人宜居环境进行了重大改善，具备支持两名航天员在轨工作、生活30天的能力。

为了方便航天员的太空生活，在内部还增加了许多设计。“天宫二号”首次使用可展开的多功能小平台，航天员可以在上面写字、吃饭、做科学实验，生活工作两不误；通信方面为航天员配备了蓝牙耳机和蓝牙音响；用地板取代了地毯；舱内灯光采用米黄色色调，亮度可手动调节，并为每个航天员安装了床前灯。这种种新设计，给航天员在太空驻留时提供了一个良好的生活环境。

此次发射“天宫二号”空间实验室，主要目的是接受神舟十一号载人飞船的访问，完成航天员中期驻留，考核面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障等相关技术；接受天舟一号货运飞船的访问，考核验证推进剂在轨补加技术；开展在轨维修和空间站技术验证等试验。为我国在2020年前后建成永久性空间站做准备。

同时，航天员还在“天空二号”实验舱中开展14个试验项目实验，对地球观测和空间地球系统科学、微重力基础物理、空间应用新技术、空间技术和航天医学等八大领域进行进一步的探索，成为我国最忙碌的空间实验室。