作为空间实验室，天宫二号的核心任务聚焦空间科学实验与技术验证。它搭载了14项空间科学与应用任务，涵盖空间生命科学、微重力流体物理、空间材料科学等多个领域。其中，空间冷原子钟实验实现了3000万年误差不超过1秒的超高精度，将人类在太空的时间计量精度提升至新水平；伽马暴偏振探测仪则首次实现对伽马暴偏振的高精度测量，为天体物理研究提供了关键数据。
2016年10月17日，神舟十一号载人飞船发射升空，两天后与天宫二号成功对接。航天员景海鹏、陈冬进入天宫二号，开展了为期33天的驻留任务，成了空间医学实验、在轨维修技术验证等多项操作。这是中国持续时间最长的载人航天飞行任务，验证了航天员中期驻留的生命保障系统与技术方案。
天宫二号还承担了货运飞船对接技术验证任务。2017年4月20日，天舟一号货运飞船发射并与天宫二号对接，成功成推进剂在轨补加等关键技术试验，为空间站建造阶段的物资补给体系提供了技术支撑。
2019年7月19日，天宫二号成预定任务，受控离轨并坠入南太平洋。它的成功运行，不仅积累了空间科学研究与技术验证的宝贵数据，更锤炼了中国载人航天工程的总体设计、轨道、任务协同等核心能力，为2021年天和核心舱发射、中国空间站建设拉开序幕。