經過多次變軌，10月19日1時11分轉入自主控制狀態，以自主導引控制方式向天宮二號逐步靠近。經北京航天飛行控制中心就對接準備狀態進行最終確認，神舟十一號開始向天宮二號緩緩靠攏。3時24分，神舟十一號與天宮二號對接環接觸，在按程序順利完成一系列技術動作后，對接機構鎖緊，兩個飛行器建立剛性連接，形成組合體。直到11月18日，神舟十一號與天宮二號解鎖分離，這次任務中，組合體共飛行30天，創造了中國人在太空駐留的時間新紀錄。與天宮一號與神舟飛船之前進行的空間交會對接和組合體飛行相比，這次任務進行了進一步提升，除了時間更長之外，還升級了光學成像敏感器和照明設備，提高了交會對接的可靠性和效率。此外，還全面檢驗和測試了生命保障系統，積累了更多經驗。

推進劑在軌補加技術俗稱“太空加油”是建設空間站核心技術之一，而承擔該項技術突破的重任就落在天宮二號和貨運飛船天舟一號的肩上。2017年4月20日，天舟一號發射入軌，隨后經過5次軌道控制建立交會對接姿態。4月22日對接成功，次日7時26分，推進劑補加試驗開始，這是天宮二號與貨運飛船進行的第一次推進劑補加，也是中國首次推進劑補加試驗。4月27日19時07分，首次推進劑在軌補加試驗完成，實現了“太空加油”技術突破。

空間科學實驗是天宮二號任務的重要內容，在軌運行期間，開展了地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗。其搭載的世界首臺空間冷原子鐘可以將航天器自主守時精度提高兩個數量級，大幅提高導航定位精度，完成了全部既定測試任務，實現3000萬年誤差小于1秒的預定目標，將人類在太空的時間計量精度提高1至2個數量級。搭載的伽馬暴偏振探測儀完成了伽馬射線暴瞬時輻射的高精度偏振探測。