一是打造出中国第一个真正意义上的空间实验室。天宫二号是中国成功研制的首个具备补加功能的载人航天科学实验空间实验室，它突破并掌握了中期驻留载人宜居环境设计技术、推进剂补加、人机协同在轨维修技术等关键技术，实现了交会对接、航天员中期驻留、推进剂补加、组合体控制与管理、航天医学实验、空间科学与应用，以及空间站技术验证多任务融合设计与动态规划。支持开展了诸如冷原子钟等多达14项空间科学应用试验，突出体现出中国空间实验室的综合应用效益。
二是实施载人中期驻留，全面突破和掌握了中期驻留技术。天宫二号首次系统开展了面向中国航天员在轨中期驻留载人宜居环境设计工作，从提高生活质量、降低工作负荷、改善睡眠环境、丰富娱乐条件等几个方面开展载人宜居环境设计，在有限的组合体空间内，集成内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线视频通话等宜居技术，为航天员提供舒适人性化的空间家居环境，使航天员在30天驻留期间，生活和工作舒适惬意、身体健康、精神愉悦。
三是首次实现中国航天器推进剂在轨补加任务，全面突破和掌握了推进剂在轨补加技术。天宫二号与天舟一号配合，首次实现中国航天器推进剂在轨补加任务，全面突破和掌握了推进剂在轨补加技术，系统解决了一系列技术难题，使推进剂补加系统性能指标处于世界领先水平，对后续空间站阶段的推进剂补加进行了完整验证。
四是首次开展人机协同的空间精细操作机械臂试验，验证了空间站人机协同在轨维修技术。天宫二号首次实现中国人机协同在轨维修任务，通过空间精细操作机械臂在轨操控设计、人机协同工作模式设计以及面向可在轨维修操作对象设计，建立了集信息管理、手动控制、遥操作和自主控制一体化的人机协同在轨维修系统，形成典型人机协同体制，为未来空间站仿人型机器人研制积累了技术基础。
五是开展面向空间站的在轨维修技术试验，验证了空间站在轨可更换单元的维修性技术。在天宫二号上搭建基于流体回路维修的验证系统，通过首次系统在线维修，实现对空间站流体回路维修技术、典型产品维修技术、系统维修技术、维修工具验证和维修工效学验证共五方面的验证需求，为后续空间站阶段的在轨维修设计积累了经验。