昨晚22点04分，在中秋的月光中，搭载着天宫二号空间实验室的长征二号FT2运载火箭在甘肃酒泉卫星发射中心点火发射。约585秒后，天宫二号与火箭成功分离，进入预定轨道，发射取得圆满成功。我国已经在2011年9月成功发射了天宫一号目标飞行器，之后又成功发射了未载人的神舟八号飞船和载人的神舟九号、神舟十号飞船。它们分别顺利完成了与天宫一号的自动交会对接和手控交会对接试验。
天宫一号目标飞行器重达8.5吨，全长10.4米，最大直径3.35米。其构造为两舱型，分别为前边的实验舱和后边的资源舱，使用寿命虽然定为两年，但迄今仍在距离地球343千米的高度上运行，是我国最长寿的近地轨道飞行器。实验舱由密封的前锥段、柱段和后锥段组成，活动空间15立方米，可用于3名航天员驻留期间的在轨工作和生活，其前端装有被动式对接机构、交会对接测量和通信设备，用于与神舟飞船的交会对接试验。
在其外侧装有锅状的直径约1米的反射面中继天线，可以跟踪静止轨道上的中继卫星，能向地面传输数椐，同时能接收地面上传指令，使设备具备了工作状态遥测功能。资源舱内装有变轨和姿控火箭发动机，为目标飞行器提供动力，以调整轨道高度和运行姿态，两侧的太阳能电池板则为其提供电力。天宫二号与天宫一号在外观上基本相同，大小也一致。
如果说天宫一号是为了解决交会对接问题而发射的一个目标飞行器，那么天宫二号则是真正意义上的空间实验室，将开展包括地球科学研究、空间应用新技术研究、生命科学研究、航天医学研究和基础物理实验研究等14项实验。这些实验具有很高的科学研究价值，未来有可能推动我国航天新技术的发展。虽然天宫二号的重量与天宫一号平台相当，但是所携载荷发生了很大变化。比如，在天宫二号上不仅增添了推进剂补给设备，还安装了机械臂。
后者的作用是，可开展舱外维修，免得航天员出舱进行太空行走。天宫二号搭载了首次进入太空的空间冷原子钟。目前投入应用的精度最高的原子钟是利用激光冷却和囚禁原子技术的（铯）原子喷泉钟，而空间冷原子钟借助太空微重力环境，把原子喷泉钟的精度又提高了两个数量级，从而将大幅提高导航定位精度。天宫二号携带了首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器。
这项中国－瑞士合作开展的伽马射线暴偏振探测项目是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分，该计划以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，力求理解宇宙极端物理过程和规律，解答宇宙组成和演化。在未来的数月里，天宫二号空间实验室将先后迎来两位重要“访客”——神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船，并开展一系列实验。天宫二号将对接神舟十一号载人飞船，迎来两名航天员在此驻留30天，开展各种工作和实验。
天宫二号上搭载的环境控制与再生生命保障系统，能持续稳定地维持航天员的生命健康。再生生命保障系统，就是把人体排出的体液进行物理化学的处理，让它循环再生。而在这一技术得到验证之后，还将突破下一步为航天员未来在空间站长期驻留的技术，难度也将大大提高。天宫二号除了要对接成熟的神舟载人飞船外，还要首次实现与货运飞船天舟一号的对接，以验证货物运输和推进剂在轨补加等空间站建造与运营的关键技术。
在以后的空间站建造和运营中，货运飞船将担负重要的任务。有了载人飞船和货运飞船这两大天地往返工具后，又通过天宫二号实验室积累的经验，空间站的建设就会进入快车道。同时，我国目前正在研发用于发射空间站核心舱和实验舱的长征五号系列运载火箭，其近地轨道运载能力为20吨以上，将在未来空间站的建设、运营以及近地轨道任务中扮演重要作用。
我国预计在2018年前后发射空间站的核心舱，核心舱是空间站建造中的关键结构，负责连接各个舱室，在这之后才能开始在轨道上组装空间站。在轨道上组装空间站一定要突破4项关键技术。首项就是太空行走技术，这已由神舟七号飞船完成。第二项就是空间交会对接技术，这已由神舟八号、九号、十号三艘飞船与天宫一号的空间飞行所突破。其他两项就是补给技术和再生式生命保障技术，这需要通过建设天宫二号空间实验室来掌握。
只有掌握了这些技术，我们才能实施载人航天第三步工程，即于2020年前后建成一座质量超过90吨的空间站，至少包括一个核心舱、两个科学实验舱，能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船进行对接，最多可对接一艘货运飞船和两艘载人飞船，重20多吨的核心舱要求长期有人驻守，设计寿命为10年以上。
鉴于16国共同建成的国际空间站延期使用的最后期限为2025年，而中国空间站将在轨运行至少10年，届时中国空间站将是人类唯一的太空家园。