9月15日22时04分，搭载着天宫二号空间实验室的长征二号FT2运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。约575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。
天宫二号空间实验室是在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上改进研制而成，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相关关键技术。
按计划，天宫二号空间实验室发射升空后，将开展平台和空间应用载荷测试，并于神舟十一号飞船发射前，做好与神舟十一号飞船交会对接的准备。长征二号FT2火箭与之前的长征二号FT1运载火箭技术状态基本一致，为进一步提高安全性与可靠性，进行了部分技术状态更改。这是长征系列运载火箭的第236次飞行。