2016年9月15日晚，中秋之夜，中国首个真正意义上的空间实验室——“天宫2”号开启太空之旅。“天宫2”号的成功发射，使中国大步迈向空间站时代，吸引了全球目光。中国空间站预计2020年左右建成，如果“天宫2”号状态良好，延期“服役”，太空上或将首次出现空间实验室与空间站交相辉映的画面。
相对此前，这次“天宫2”号与“神舟11”号的交会对接、组合体运行和飞船返回，都在距地面约390千米的轨道开展，这与未来空间站的轨道高度基本相同，飞行任务的轨道控制策略与测控模式也十分接近未来空间站的要求。
“天宫2”号空间实验室是在“天宫1”号目标飞行器备份产品的基础上改进研制而成的，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，采用实验舱和资源舱两舱构型，设计在轨寿命不小于2年，主要任务是接受载人飞船和货运飞船访问，开展空间科学实验和相关技术试验，验证空间站建造和运营的相关关键技术。
“天宫2”号是中国第一个真正意义上的空间实验室，是执行中国载人航天工程中科学任务
最多的一次飞行。
“天宫2”号搭载了14项应用载荷，其中有一台冷原子钟，3000万年才出现1秒误差。这种计时器用激光冷冻原子，没有热运动，节拍就测得更准。它在太空发出信号校准其他卫星上的时间，相比从地面发出的信号，避免了大气和电离层的干扰，误差更小。这一创新让全球卫星导航系统的精度大幅提升，也是人类首次在太空实验冷原子钟。
它还带了一个“ 炼丹炉”——综合材料实验装置。炉子不到200瓦，但隔热好，最高能烧到950℃，足以熔化玻璃。炉膛旁有一个类似左轮手枪的旋转装置，可装6发材料弹，并将它们轮流塞进炉子。在此次任务中带来了18种材料，用于光通信、电子元件、涡轮叶片、X光接收、热成像和红外探测等。
“天宫2”号上的一个实验箱可以将一种低黏度硅油（这种硅油在化妆品中也可以见到）拉出130多种不同粗细的液体桥。同样的实验在地面上只能拉出4毫米长的液体桥，而在太空中能拉出2厘米長，在此过程中需要排出硅油中所有的气泡。
“天宫2”号搭载了一个小温室。拟南芥（常用的实验植物）和水稻的种子会在6个月的全生命周期中萌发、抽穗、开花、结籽，有相机和温度计全程记录。生长盒透气不透水，凝结的水珠在失重环境里不会下落，可通过特殊装置回到土壤。航天员将回收拟南芥，把它发回地面研究。
中国与瑞士、波兰还在“天宫2”号上合作开展了一项实验——能看到伽马射线偏振波的天极望远镜。伽马射线暴与黑洞密切相关，以前很难测量它的偏振状态。这项实验对以后探测黑洞和中子星非常有帮助。
通过微波天线，“天宫2”号还能测绘海平面的三维图，这有助于天气预报和海啸监测。另外，“天宫2”号上还带了量子密钥分配机器，可以将携带了密码的光子打到地面望远镜上。“天宫2”号的飞行轨道高度大约为390千米，飞行速度约8千米/秒，地面站的接收口径约1米。实验的精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投入10千米以外的一个固定的矿泉水瓶。只要是成功分配的量子密钥，就一定是没有被窃听过的安全密钥。
在与“神舟11”号飞船对接前，“天宫2”号释放了一颗伴随卫星，它是边长30多厘米的立方体，搭载2500万像素的相机和一台鱼眼相机，前者拍摄对接，后者监测太空中飞来的碎片。伴随卫星距离“天宫2”号1千米至500千米，用太阳能加热液化气推进。以后这种小卫星可以帮助航天员执行任务，或者修复航天器。
与“天宫1”号相比，“天宫2”号不仅装备更优、装载量更大、内部环境更好，搭载的设备
也更先进。其上搭载的空间应用系统的科学设备，无论是数量还是安装复杂程度，都创造了历次载人航天器任务之最。例如，首次搭建了液体回路验证系统，验证空间站维修技术；首次搭载了机械臂操作终端试验器（机械臂，通俗解释就是一种典型的空间机器人，能用于空间站的在轨组装、在轨维修、货物搬运与转移、辅助航天员出舱活动等），将第一次开展中国人机协同太空在轨维修试验，为以后空间站任务提供技术储备；为满足推进剂补加验证试验的需要，对推进分系统进行了适应性改造。
