天宮一號的使命是，為實施空間交會對接試驗提供目標飛行器；初步建立長期無人在軌運行、短期有人照料的載人空間試驗平台，為空間站研製積累經驗。此外，天宮一號還進行了一系列空間科學實驗、航天醫學實驗和空間技術試驗。作為中國載人航天事業發展過程中的一大標誌性任務，天宮一號的歷史使命早在1992年就已經確定。2002年，天宮一號目標飛行器任務方案通過了論證和審查，之後進入初樣研製階段。
2009年央視牛年春晚舞台上，天宮一號模型精彩亮相，它的形象和肩負的使命迅速走進億萬家庭，為國人所熟知和稱道。在此後1年多時間裡，天宮一號完成總裝、綜合測試、出廠評審和轉運。
2011年9月29日，長征二號FT1運載火箭從酒泉衛星發射中心衝天而起，將天宮一號精准發射入軌。約1個月之後，神舟八號飛船升空並與天宮一號進行了空間交會對接。組合體運行12天後，兩者脫離並再次成功進行了交會對接試驗。
2012年、2013年，天宮一號相繼迎來神舟九號和神舟十號，與它們圓滿完成了多次空間交會對接，完成了航天器組合體控制與管理、航天員在軌駐留保障、航天員在軌維修操作等一系列技術試驗驗證，開展了對地遙感應用、空間物理與環境探測和空間材料實驗，獲取了大量有價值的數據信息和應用成果。
值得一提的是，天宮一號還是中國第一個“太空教室”，在神舟十號飛行任務期間，航天員王亞平在聶海勝、張曉光的配合下，為全國6000多萬中小學生進行太空授課。在約45分鐘的“神舟課堂”上，王亞平展示了“質量測量”“單擺運動”“陀螺運動”“製作水膜與水球”等多項試驗，並以“天地對話”的形式與孩子們進行了互動交流。
2016年3月，天宮一號全面完成歷史使命，正式終止數據服務。
2018年4月2日8時15分左右，經北京航天飛行控制中心和有關機構監測分析，天宮一號已再入大氣層，再入落區位於南太平洋中部區域，絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。
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