天宫二号是我国第一个真正意义上的太空实验室，采用实验舱和资源舱两舱构型，全长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽约18.4米，重8.6吨，设计在轨寿命2年。天宫二号在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上，为满足推进剂补加验证试验需要，对推进分系统进行了适应性改造；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2名航天员在轨工作、生活30天的能力。

　　2016年7月9日，天宫二号按流程完成了出厂前所有研制工作，经铁路运输安全运抵酒泉卫星发射中心载人航天发射场，开展发射场区总装和测试工作，标志着天宫二号与神舟十一号载人飞行任务进入实施阶段。

　　2016年9月15日22时04分，长征二号F T2运载火箭搭载天宫二号在酒泉卫星发射中心成功发射。

　　2016年10月19日，神舟十一号载人飞船与天宫二号成功实现交会对接。6时32分，航天员景海鹏、陈冬先后进驻天宫二号。

　　2016年10月23日7时31分，天宫二号成功释放伴随卫星。天宫二号伴随卫星属于新一代先进微小卫星，重约47kg，尺寸相当于一台打印机大小，具备高效轨道控制、灵活姿态指向、智能任务序列处理和天地测控通信高速数传的能力。

　　2017年4月22日12时23分，天舟一号货运飞船与天宫二号顺利完成自动交会对接，这是天宫二号首次与货运飞船进行交会对接。天舟一号是我国自主研制的首艘货运飞船，于4月20日晚在文昌航天发射场发射升空。

　　2017年4月27日，天舟一号货运飞船与天宫二号成功完成首次推进剂在轨补加试验。这是我国实施的首次太空推进剂补加试验，标志着空间实验室飞行任务全部完成，中国载人航天工程“三步走”发展战略第二步全面收官，空间站时代的大门向中国人豁然打开。

　　2017年6月15日，天舟一号货运飞船与天宫二号完成第二次推进剂在轨补加试验。这次补加试验旨在巩固首次补加试验取得的技术成果，主要完成了浮动断接器插合、管路检漏、燃料贮箱补加、氧化剂贮箱补加、浮动断接器分离和状态恢复等工作，整个过程历时约2天。

　　2017年6月19日，天舟一号完成与天宫二号的绕飞和第二次交会对接试验。这次试验的顺利完成，巩固了航天器多方位空间交会技术，对于后续空间站工程建设具有重要意义。

　　2017年9月12日，天舟一号完成与天宫二号的自主快速交会对接试验。

　　2018年9月15日，天宫二号圆满完成了在轨运行2年的目标，取得了阶段性胜利。

　　2019年7月19日21时06分，天宫二号受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。