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。
