15日中秋節晚間22時04分，搭載「天宮二號」太空實驗室的長征二號F T2運載火箭在酒泉衛星發射中心點火發射。約575秒後，天宮二號與火箭成功分離，進入預定軌道，發射取得成功。
天宮二號太空實驗室是在天宮一號目標飛行器備份產品的基礎上改進研製而成，全長10.4公尺，最大直徑3.35公尺，太陽翼展寬約18.4公尺，重8.6噸，採用實驗艙和資源艙兩艙構型，設計在軌壽命不小於2年，主要任務是接受載人太空船和貨運太空船訪問，開展太空科學實驗和相關技術試驗，驗證太空站建造和運營相關關鍵技術。
按計劃，天宮二號太空實驗室發射升空後，將開展平台和太空應用載荷測試，並於神舟十一號太空船發射前，做好與神舟十一號太空船交會對接的準備。
長征二號F T2火箭與之前的長征二號F T1運載火箭技術狀態基本一致，為進一步提高安全性與可靠性，進行了部分技術狀態更改。這是長征系列運載火箭的第236次飛行。
天宮二號是中國首個真正意義上的太空實驗室，將完成十餘項高精尖的實驗任務，是載
人航天歷次任務中應用計畫最多的一次。這些實驗有的是要探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好地認識海洋和大氣，有的甚至想要解決將來星際旅行時的食物問題……
51件有效載荷：涉及應用計畫最多
天宮二號太空應用系統總設計師趙光恆說：「我們在深入研究國際太空科學和應用技術發展態勢的基礎上，充分利用天宮二號太空實驗室平台支持能力和優勢環境條件，安排了一批體現科學前沿和戰略高技術發展方向的科學與應用任務。」
這些任務涉及微重力基礎物理、微重力流體物理、太空材料科學、太空生命科學、太空天文探測、太空環境監測、對地觀測及地球科學研究應用以及應用新技術試驗等8個領域。
其中太空科學實驗與探測計畫包括太空冷原子鐘實驗、液橋熱毛細對流實驗、綜合材料製備實驗、高等植物培養實驗、伽瑪暴偏振探測等；對地觀測及地球科學研究計畫包括寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀；應用新技術試驗計畫包括空地量子密鑰分配試驗、伴隨衛星飛行試驗等。
「這些應用任務共10餘項，直接承研單位28家，裝器有效載荷51件。」趙光恆表示，通過實施這些任務，期望在太空科學前沿探索部分重點領域方向進入世界先進行列，作出具有國際影響的重要發現；在太空應用技術領域，突破並掌握一些核心關鍵技術，為解決國家迫切需求的重大應用問題提供和驗證先進的解決方法和手段。
2項實驗太空人直接參與
天宮二號將與擬於10月中下旬發射的神舟十一號載人太空船對接。太空人將進入天宮二號，參與操作高等植物培養實驗和綜合材料製備實驗。
人類未來要星際旅行、移民外星球，首要任務是解決食物自給、氧氣和循環水等問題。高等植物培養實驗就是要研究地球上的植物是否可以克服太空微重力等極端環境影響，在太空環境中正常生長。
高等植物擬南芥和水稻將隨天宮二號進入太空，科學家將研究植物種子在太空中萌發、生長、開花、結籽的全過程，從而瞭解和掌握未來太空農業發展的可能。太空人將回收部分植物樣品供地面進一步分析研究。
綜合材料製備實驗選用多種新型結構與類型的材料樣品進行研究，如新型納公尺複合光學材料、高性能熱電轉換材料、多元復相合金等。科學家們將揭示這些材料在地面重力環境下難以獲知的物理和化學規律和性質。
研究人員歷經3年多研製的綜合材料實驗裝置，只用了電水壺功耗的1∕9至1∕5，卻能實現真空環境下最高950攝氏度的爐膛溫度。太空人將對材料實驗爐進行開蓋換樣操作，這將是中國首次實現太空材料實驗的太空人在軌操作。
「天極」望遠鏡：唯一的國際合作計畫
「天極」望遠鏡的全稱是「天極」伽瑪暴偏振探測儀，由中科院高能物理研究所牽頭，瑞士日內瓦大學、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等參與，是天宮二號上唯一的國際合作計畫。
伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡稱，它的起源及相應的物理過程一直是天文學最前沿課題之一。這十幾年來，人們對伽瑪暴的研究取得了長足進步，但有關伽瑪暴的一些基本問題還是沒有得到很好解決。
作為國際上最靈敏的伽瑪暴偏振探測儀，「天極」的探測效率比國際同類儀器高幾十倍，它預期運行兩年，可以探測到大約100個伽瑪射線暴，為更好地理解宇宙中極端天體物理環境下最劇烈的爆發現象的產生機製作出貢獻。
太空物理學：有望取得重大突破
天宮二號搭載了多項太空物理實驗，如太空冷原子鐘實驗、空地量子密鑰分配試驗等，均屬國際科學前沿，科學意義重大。
冷原子鐘是一種高精度的計時裝置。科學家將雷射冷卻原子技術與太空微重力環境相結合研發成功的太空冷原子鐘，將成為國際上第一台太空運行的冷原子鐘，可以使飛行器自主守時精度提高兩個量級。該實驗在原子物理研究方面具有重大意義，在國防安全、高精度星鐘等方面具有廣泛應用價值。
量子密鑰分配試驗將在基於載人航天太空平台上實現天─地量子密鑰傳輸試驗，以及業務數據天地激光通信。該實驗將為未來建立不可破譯的信息安全系統、建立實用化的保密通信網絡奠定基礎。
對地觀測儀器：全方位「感知」地球
中國載人航天的歷次巡天任務都少不了在浩瀚的宇宙中從各個方位「感知」地球。天宮二號也搭載了多個新一代對地觀測遙感器和地球科學研究儀器。
如寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀等，突破了系列關鍵技術，在資源環境、生態環境、農林應用、海洋環境、大氣污染和大氣成分監測以及全球變化研究等領域有著廣泛應用。
伴隨衛星：天宮二號的守護者
天宮二號飛行期間還將在軌釋放一顆伴隨衛星。伴隨衛星飛行試驗將進一步驗證小型高功能密度衛星、在軌釋放、駐留伴隨飛行等技術，併為未來新型航天器編隊飛行技術奠定基礎。
這顆伴隨衛星搭載了高分辨率全畫幅可見光相機，將在太空繞飛試驗過程中對天宮二號與神舟十一號組合體進行高分辨率成像，堪稱天宮二號和神舟太空船的「自拍神器」。
太空環境監測：為天宮二號保駕護航
太空人和航天器進入太空面臨著外層太空環境的影響。在太空中，能量很高的帶電粒子輻射可能導致航天器材料性能下降或損壞，也可能破壞太空人的器官組織，嚴重時甚至有生命危險。另外大氣環境也會對運行其中的航天器產生影響。
天宮二號太空環境分系統由帶電粒子輻射探測器、軌道大氣環境探測器和太空環境控制單元3台儀器組成。它們將實時監測天宮二號軌道上的輻射環境和大氣環境，實現艙外16個方向的電子、質子等帶電粒子的強度和能譜監測，以及軌道大氣密度、成分及其時空變化與太空環境污染效應監測等。
