2016年9月15日22时04分12秒在酒泉卫星发射中心成功发射升空，可同时承载三名航天员在轨工作。天宫二号是中国自主研发的第二个空间实验室，由中国太空技术研究院研制。
2016年9月16日，天宫二号于成功实施了两次轨道控制，顺利进入运行轨道。
2016年9月22日，天宫二号空间应用系统有效载荷全面进行在轨测试。
天宫二号伴随卫星今晨成功释放2016年9月25日，北京航天飞行控制中心成功进行两次轨道控制，将天宫二号调整至距地面393公里的轨道上，使其正式进入交会对接准备阶段。
2016年10月19日3时31分，神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。航天员景海鹏、陈冬进入天宫二号。
2016年10月20日，天宫二号与神舟十一号进行了组合体飞行期间的首次轨道维持，降低了轨道高度，由原先的倒飞状态转为正飞。
2016年10月23日早晨7点31分，天宫二号的伴随卫星从天宫二号上成功释放。在释放过程中，航天员景海鹏和陈冬利用手持摄像机从舱内拍摄到了伴随卫星从天宫二号下方百米之外掠过的视频。
2018年7月25日，中国科学院发布消息说，在天宫二号空间冷原子钟将太空时间精度提高1-2个数量级。
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