2010年9月25日，中国的载人空间站建设正式立项。中央确定了载人航天工程的后续任务，也就是第二步第二阶段研制发射空间实验室任务，以及第三步建造空间站任务，其目标是：在2020年前后，建成和运营近地载人空间站，使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术试验能力，能够综合开发利用太空资源的国家。
2013年10月31日，中国载人航天工程办公室发布了载人空间站整体名称及各舱段和货运飞船的名字。载人空间站命名为“天宫”；核心舱命名为“天和”；实验舱Ⅰ命名为“问天”；实验舱Ⅱ命名为“梦天”；货运飞船命名为“天舟”。
在通往空间站的迢迢征途上，突破交会对接技术是第一道必经的关卡。
在太空中，两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点，这样的轨道控制过程称作“轨道交会”；将两个航天器对接起来形成一个组合航天器的事件称作“空间对接”。“轨道交会”和“空间对接”合起来就称为“空间交会对接”。实现空间交会对接需要两个航天器：一个作为被动对接目标，称为“目标飞行器”；另一个作为主动追踪者，称为“追踪飞行器”。
在我国研制之前，世界上掌握这项技术的只有美国和俄罗斯。为了验证交会对接技术，美、俄在进行载人航天器交会对接之前，分别进行了3次飞船与飞船之间的对接，也就是说，发射了6艘飞船。中国没有走这样的路，而是采用了一种更为经济、高效的技术方案：发射一个目标飞行器，分别与3艘飞船进行对接。这种方式减少了2次发射，大大降低了成本，而且可以提前验证建设空间站的重要技术。
天宫一号作为我国自主研制的第一个目标飞行器，要实现长期在轨飞行、完成多次交会对接，不仅是载人航天新的里程碑，更是我国建造空间站的基础。空间实验室之所以被命名为“天宫”，既是为了与“神舟”飞船、“嫦娥”卫星的名字相呼应，也是中国传统文化中对未知太空的一种通俗叫法。因此，得到了航天界和全国人民的一致认可。
“天宫”的研制任务再一次落在了中国空间技术研究院和上海航天局肩上，曾经研制“神舟”飞船的团队承担起这一历史重任，曾经是载人飞船副总设计师的青年专家杨宏被任命为空间实验室系统的总设计师。
没有成熟的经验可借鉴，没有充分的数据可参考，无法完全模拟太空的真实环境，研制难度不言而喻。设计初期，研制人员以神舟飞船的技术状态为基线，根据新的任务特点和要求，不断改进设计，关注细节，创新、优化、完善了系统功能，先后攻克了一系列技术难题，拿下了具有自主知识产权的核心技术。
天宫一号主体为短粗的圆柱形，采用由实验舱和资源舱组成的两舱构型，全长10.4米，舱体最大直径为3.35米。资源舱的任务是提供能源保障，为轨道机动发动机提供动力，并控制飞行姿态。实验舱是飞行器运行的核心舱，分为前锥段、圆柱段和后锥段，交会对接完成后，航天员进入全密封的前锥段和圆柱段进行工作和生活。实验舱的后锥段是非密封的，主要安装再生式环境控制与生命保障设备，前端安装有对接机构以及测量通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。
与天宫一号首次对接的是神舟八号飞船。神舟八号的对接机构叫作“内翻式异体同构周边”对接机构，是世界上口径最大、技术最先进的一种对接机构。除此之外，飞船系统还开发了一套在交会对接过程中使用的高精度测量系统，由交会对接雷达、CCD光学成像敏感器、电视摄像机等构成，各个距离段上的测量都由测量设备来进行支持，可以测量与目标飞行器的相对位置和相对状态。当二者在地面测控人员的操控下接近到几千米以内时，精确测控就要依靠这些复杂的综合测量系统了，它们可以让误差不超过2厘米。
天宫一号研制出来后，无论是体积还是体重，都比“神舟”飞船大，对火箭来说，需要的推力也要大许多。此时，距离研制“神舟”飞船已经过去了十几年。这十几年，中国经济飞速发展，电子产品更新换代，火箭上的相关电子产品也发生了突飞猛进的变化。一切都说明，对火箭的改进迫在眉睫。火箭系统总设计师荆木春在长征二号F火箭的基础上，经过170多项改进，在保持芯级和助推器形状不变的情况下，改变了助推器内部结构，使得新研制的火箭比长征二号F能多装载20多吨推进剂，满足了天宫一号的发射需求。这枚新火箭被命名为长征二号FT1。
神舟八号飞船结构示意图
与此同时，值得一提的还有正在研制的长征五号运载火箭，这是我国的第一枚大型运载火箭，由于体积庞大，人们都亲切地管它叫“胖五”。作为这枚火箭的总设计师，李东用一个“大”字来概括长征五号：“长征五号有68米高，900吨重，大的发动机、大的结构、大的电气系统、大的地面支持系统，单台推力达到了120吨，泵出压力最高达到50个兆帕，可以把黄浦江的水直接打到青藏高原上去。长征五号的芯级采用大的氢氧发动机，液态的氢和液态的氧，是人类现在已知的能量水平最高的火箭推进器。”交会对接任务的来临，对测控通信提出了更高的要求，4船9站3中心的测控布局已经不能满足需求了。测控通信系统开始重新规划系统布局图。首先对已经使用了十几年的S波段统一测控通信系统进行了更新换代，然后对各中心进行升级改造，架构了基于IP网络的一体化试验信息系统。过去十几年间，“远望四号”、“远望一号”和“远望二号”相继退役，新入列的“远望五号”和“远望六号”虽已经形成远洋测控能力，但船的数量却减少了，加上还在服役的“远望三号”，只有三艘船能够参加任务。于是，他们将这三艘船布设在了最为关键的海域；将交会对接的时间控制在国内各测控站可测控时间较长的测控弧段进行；在澳大利亚的当加拉，法国的奥赛盖尔、凯尔盖朗，巴西的阿尔坎特拉新建4座测控站。这样，3船16站3中心的庞大测控规模，加上两颗数据中继卫星的高速率数据传输的优势，使得测控通信的覆盖率超过了70%。
长征二号F遥九火箭结构示意图
长征五号火箭在文昌航天发射场垂直转运
天宫一号和神舟八号轨道示意图
2011年9月29日，天宫一号踏上征程。一个月后，11月1日，神舟八号踏上赴约之路，经过两天追逐和5次变轨，到达了天宫一号的运行轨道。此前，天宫一号已经从350千米的近圆轨道降低到约343千米的轨道面上，并翻转180度，将安装着对接机构的一头朝向神舟八号的方向。当神舟八号飞行到距离天宫一号后下方52千米处时，地面导引段结束，进入自主导引阶段。为了准确判断两个飞行器的运行状况，测控系统安排了4次观察和试探，设计了5千米、400米、140米和30米4个停泊点。11月3日凌晨，经历了4次停泊后，两个航天器到达东风测控站上空时，茫茫太空中上演了这样的浪漫一幕：神舟八号以0.2米每秒的速度“轻吻”天宫一号。1时35分，12把对接锁准确启动，上千个齿轮和轴承同步工作，天宫一号与神舟八号成功对接，两个紧紧相连的航天器以优美的姿态开始了为期14天的组合飞行。
11月15日，神舟八号飞船离开天宫一号，于11月17日返回地球。天宫一号继续升高到370千米的运行轨道上，等待与神舟九号和神舟十号的太空约会。
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