2016年7月9日，天宫二号运抵酒泉卫星发射中心载人航天发射场，开展总装和测试工作。

2016年9月15日22时04分，长征二号F T2运载火箭搭载天宫二号空间实验室在酒泉卫星发射中心成功发射。

2016年10月19日，神舟十一号载人飞船与天宫二号成功实现交会对接。航天员景海鹏和陈冬入驻天宫二号。

2016年10月23日7时31分，天宫二号成功释放伴随卫星。

2017年4月22日，天舟一号货运飞船与天宫二号顺利完成自动交会对接。这是天宫二号首次与货运飞船进行交会对接。2017年4月27日，天舟一号货运飞船与天宫二号成功完成首次推进剂在轨补加试验。2017年6月15日，天舟一号货运飞船与天宫二号完成第二次推进剂在轨补加试验。

2017年6月19日，天舟一号货运飞船完成与天宫二号的绕飞和第二次交会对接试验。2017年9月12日，天舟一号货运飞船完成与天宫二号的自主快速交会对接试验。

2018年9月15日，天宫二号空间实验室圆满完成了在轨运行2年的目标，取得了阶段性胜利。

2019年7月19日21时06分，天宫二号空间实验室圆满完成任务，再入大气层，少量残骸落入指定海域。

北京时间7月19日晚上21时06分，天宫二号受控离轨并再入大气层，以一道绚烂的光芒消逝在大气层中，少量残骸落入南太平洋预定安全海域，功成身退。圆满完成全部任务的天宫二号，创造了中国航天史上的多个第一，也标志着我国进入空间站时代。