九天之上“加油”
如果说天宫一号是空间实验室的“入门级”实验飞行器，主要目标是完成空间交会对接任务，那么天宫二号则完全是真正意义上的小型空间实验室，旨在解决一定规模、短期有人照料的空间应用问题，具备开展各种工作和试验的条件。
2014年3月，中国载人航天工程总设计师周建平向外界公布了中国将实施天宫二号空间实验室任务。
2014年9月10日，时任中国载人航天工程办公室副主任杨利伟在太空探索者协会第27届年会上向外界透露了天宫二号任务详细规划，其中包括天宫二号空间实验室将于2016年发射升空，并与随后发射的神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船实现空间交会对接，进一步突破和掌握推进剂在轨补加等空间站关键技术，开展一定规模的空间应用。
2016年9月15日，天宫二号成功发射入轨。1个多月后的10月17日，神舟十一号飞船搭载景海鹏、陈冬两名航天员在酒泉卫星发射中心升空并准确进入预定轨道。
经过多次变轨，10月19日1时11分转入自主控制状态，以自主导引控制方式向天宫二号逐步靠近。经北京航天飞行控制中心就对接准备状态进行最终确认，神舟十一号开始向天宫二号缓缓靠拢。3时24分，神舟十一号与天宫二号对接环接触，在按程序顺利完成一系列技术动作后，对接机构锁紧，两个飞行器建立刚性连接，形成组合体。直到11月18日，神舟十一号与天宫二号解锁分离，这次任务中，组合体共飞行30天，创造了中国人在太空驻留的时间新纪录。与天宫一号与神舟飞船之前进行的空间交会对接和组合体飞行相比，这次任务进行了进一步提升，除了时间更长之外，还升级了光学成像敏感器和照明设备，提高了交会对接的可靠性和效率。此外，还全面检验和测试了生命保障系统，积累了更多经验。
推进剂在轨补加技术俗称“太空加油”是建设空间站核心技术之一，而承担该项技术突破的重任就落在天宫二号和货运飞船天舟一号的肩上。2017年4月20日，天舟一号发射入轨，随后经过5次轨道控制建立交会对接姿态。4月22日对接成功，次日7时26分，推进剂补加试验开始，这是天宫二号与货运飞船进行的第一次推进剂补加，也是中国首次推进剂补加试验。4月27日19时07分，首次推进剂在轨补加试验完成，实现了“太空加油”技术突破。
空间科学实验是天宫二号任务的重要内容，在轨运行期间，开展了地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。其搭载的世界首台空间冷原子钟可以将航天器自主守时精度提高两个数量级，大幅提高导航定位精度，完成了全部既定测试任务，实现3000万年误差小于1秒的预定目标，将人类在太空的时间计量精度提高1至2个数量级。搭载的伽马暴偏振探测仪完成了伽马射线暴瞬时辐射的高精度偏振探测。
