9月15日22时04分，搭载著天宫二号空间实验室的长征二号FT2运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。约575秒后，天宫二号与火箭成功分离，进入预定轨道，发射取得圆满成功。
　　天宫二号是中国第一个真正意义上的太空实验室，设计在轨寿命2年，在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上，为满足推进剂补加验证试验需要，对推进分系统进行了适应性改造;为满足中期驻留需要，对载人宜居环境进行了重大改善，具备支持2名航天员在轨工作、生活30天的能力。
　　发射天宫二号空间实验室，主要目的是接受神舟十一号载人飞船的访问，完成航天员中期驻留，考核面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障等相关技术;接受天舟一号货运飞船的访问，考核验证推进剂在轨补加技术;开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术，以及在轨维修和空间站技术验证等试验。
　　按计划，天宫二号空间实验室发射升空后，将开展平台和空间应用载荷测试，并于神舟十一号飞船发射前，做好与神舟十一号飞船交会对接的准备。
　　美国有线电视新闻网(CNN)9月15日发表题为《中国著手发射天宫二号空间实验室》的文章称，发射天宫二号是中国建设空间站“雄心”的关键一步，美国应放弃现行的不合作政策，尽早与中国在太空领域开展合作。