經(jīng)過多次變軌，10月19日1時(shí)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(hào)逐步靠近。經(jīng)北京航天飛行控制中心就對(duì)接準(zhǔn)備狀態(tài)進(jìn)行最終確認(rèn)，神舟十一號(hào)開始向天宮二號(hào)緩緩靠攏。3時(shí)24分，神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)對(duì)接環(huán)接觸，在按程序順利完成一系列技術(shù)動(dòng)作后，對(duì)接機(jī)構(gòu)鎖緊，兩個(gè)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(hào)與天宮二號(hào)解鎖分離，這次任務(wù)中，組合體共飛行30天，創(chuàng)造了中國(guó)人在太空駐留的時(shí)間新紀(jì)錄。與天宮一號(hào)與神舟飛船之前進(jìn)行的空間交會(huì)對(duì)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(shí)間更長(zhǎng)之外，還升級(jí)了光學(xué)成像敏感器和照明設(shè)備，提高了交會(huì)對(duì)接的可靠性和效率。此外，還全面檢驗(yàn)和測(cè)試了生命保障系統(tǒng)，積累了更多經(jīng)驗(yàn)。

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(xiàng)技術(shù)突破的重任就落在天宮二號(hào)和貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)的肩上。2017年4月20日，天舟一號(hào)發(fā)射入軌，隨后經(jīng)過5次軌道控制建立交會(huì)對(duì)接姿態(tài)。4月22日對(duì)接成功，次日7時(shí)26分，推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗(yàn)開始，這是天宮二號(hào)與貨運(yùn)飛船進(jìn)行的第一次推進(jìn)劑補(bǔ)加，也是中國(guó)首次推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗(yàn)。4月27日19時(shí)07分，首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)完成，實(shí)現(xiàn)了“太空加油”技術(shù)突破。

空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)是天宮二號(hào)任務(wù)的重要內(nèi)容，在軌運(yùn)行期間，開展了地球觀測(cè)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(yàn)。其搭載的世界首臺(tái)空間冷原子鐘可以將航天器自主守時(shí)精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅提高導(dǎo)航定位精度，完成了全部既定測(cè)試任務(wù)，實(shí)現(xiàn)3000萬(wàn)年誤差小于1秒的預(yù)定目標(biāo)，將人類在太空的時(shí)間計(jì)量精度提高1至2個(gè)數(shù)量級(jí)。搭載的伽馬暴偏振探測(cè)儀完成了伽馬射線暴瞬時(shí)輻射的高精度偏振探測(cè)。