經(jīng)過多次變軌，10月19日1時11分轉(zhuǎn)入自主控制狀態(tài)，以自主導(dǎo)引控制方式向天宮二號逐步靠近。經(jīng)北京航天飛行控制中心就對接準(zhǔn)備狀態(tài)進(jìn)行最終確認(rèn)，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(huán)接觸，在按程序順利完成一系列技術(shù)動作后，對接機(jī)構(gòu)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(wù)中，組合體共飛行30天，創(chuàng)造了中國人在太空駐留的時間新紀(jì)錄。與天宮一號與神舟飛船之前進(jìn)行的空間交會對接和組合體飛行相比，這次任務(wù)進(jìn)行了進(jìn)一步提升，除了時間更長之外，還升級了光學(xué)成像敏感器和照明設(shè)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(tǒng)，積累了更多經(jīng)驗。

推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)俗稱“太空加油”是建設(shè)空間站核心技術(shù)之一，而承擔(dān)該項技術(shù)突破的重任就落在天宮二號和貨運(yùn)飛船天舟一號的肩上。2017年4月20日，天舟一號發(fā)射入軌，隨后經(jīng)過5次軌道控制建立交會對接姿態(tài)。4月22日對接成功，次日7時26分，推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗開始，這是天宮二號與貨運(yùn)飛船進(jìn)行的第一次推進(jìn)劑補(bǔ)加，也是中國首次推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗。4月27日19時07分，首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗完成，實現(xiàn)了“太空加油”技術(shù)突破。

空間科學(xué)實驗是天宮二號任務(wù)的重要內(nèi)容，在軌運(yùn)行期間，開展了地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)量級，大幅提高導(dǎo)航定位精度，完成了全部既定測試任務(wù)，實現(xiàn)3000萬年誤差小于1秒的預(yù)定目標(biāo)，將人類在太空的時間計量精度提高1至2個數(shù)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。