天宮二號是中國自主研發的第二個空間實驗室，由中國太空技術研究院研製，於2016年9月15日22時04分12秒在酒泉衛星發射中心成功發射升空，可同時承載三名航天員在軌工作。 天宮二號主要開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗，包括釋放伴飛小衛星，完成貨運飛船與天宮二號的對接。2019年7月19日，天宮二號受控再入大氣層，標誌著中國載人航天工程空間實驗室階段全部任務圓滿完成。

天宮二號是中國第一個真正意義上的太空實驗室，採用實驗艙和資源艙兩艙構型，全長10.4米，最大直徑3.35米，太陽翼展寬約18.4米，重8.6噸，設計在軌壽命2年。天宮二號在天宮一號目標飛行器備份產品的基礎上，為滿足推進劑補加驗證試驗需要，對推進分系統進行了適應性改造；為滿足中期駐留需要，對載人宜居環境進行了重大改善，具備支援2名航天員在軌工作、生活30天的能力。

2016年7月9日，天宮二號按流程完成了出廠前所有研製工作，經鐵路運輸安全運抵酒泉衛星發射中心載人航天發射場，開展發射場區總裝和測試工作，標誌著天宮二號與神舟十一號載人飛行任務進入實施階段。

2016年9月15日22時04分，長征二號F T2運載火箭搭載天宮二號在酒泉衛星發射中心成功發射。

2016年10月19日，神舟十一號載人飛船與天宮二號成功實現交會對接。6時32分，航天員景海鵬、陳冬先後進駐天宮二號。

2016年10月23日7時31分，天宮二號成功釋放伴隨衛星。天宮二號伴隨衛星屬於新一代先進微小衛星，重約47kg，尺寸相當於一臺印表機大小，具備高效軌道控制、靈活姿態指向、智慧任務序列處理和天地測控通訊高速數傳的能力。

2017年4月22日12時23分，天舟一號貨運飛船與天宮二號順利完成自動交會對接，這是天宮二號首次與貨運飛船進行交會對接。天舟一號是中國自主研製的首艘貨運飛船，於4月20日晚在文昌航天發射場發射升空。

2017年4月27日，天舟一號貨運飛船與天宮二號成功完成首次推進劑在軌補加試驗。這是中國實施的首次太空推進劑補加試驗，標誌著空間實驗室飛行任務全部完成，中國載人航天工程“三步走”發展戰略第二步全面收官，空間站時代的大門向華人豁然開啟。

2017年6月15日，天舟一號貨運飛船與天宮二號完成第二次推進劑在軌補加試驗。這次補加試驗旨在鞏固首次補加試驗取得的技術成果，主要完成了浮動斷接器插合、管路檢漏、燃料貯箱補加、氧化劑貯箱補加、浮動斷接器分離和狀態恢復等工作，整個過程歷時約2天。

2017年6月19日，天舟一號完成與天宮二號的繞飛和第二次交會對接試驗。這次試驗的順利完成，鞏固了航天器多方位空間交會技術，對於後續空間站工程建設具有重要意義。

2017年9月12日，天舟一號完成與天宮二號的自主快速交會對接試驗。

2018年9月15日，天宮二號圓滿完成了在軌執行2年的目標，取得了階段性勝利。

2019年7月19日21時06分，天宮二號受控離軌並再入大氣層，少量殘骸落入南太平洋預定安全海域。標誌著中國載人航天工程空間實驗室階段全部任務圓滿完成。