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。
