神舟八号发射时，采用了分秒不差的“零窗口”发射方法，在地面的测控下完成了5次精准的轨道调整，接近到天宫一号后下方54公里时，通过无线电信号与天宫一号“握手”。之后，神舟八号通过对接测量设备，自主导航到天宫一号附近并与其成功对接。
国神舟飞船的三舱式结构在一定程度上借鉴了俄罗斯（苏联）的载人飞船设计，而神舟飞船与天宫一号对接的“接口”——空间对接机构却没有采用俄罗斯的杆锥结构，而是在借鉴了美国的APAS-89机构设计理念的基础上，自主设计的异体同构周边式结构。相比俄罗斯的杆锥结构，这种结构更加灵活，对接的两个飞行器的主、被动角色可以互换，还为未来进一步升级成更先进的雌雄同体对接结构预留了发展空间。
当神舟九号载着景海鹏、刘旺、刘洋三名宇航员到访天宫一号时，天宫一号为宇航员们提供了温馨的太空之家。
在天宫一号中，除了能为宇航员提供基本的生命保障功能外，还为宇航员们提供了颇具人性化的居住条件。飞船内各类仪表的形状、大小甚至仪表盘的颜色，都经过特殊考虑，力争让航天员便于观察、感觉舒适。为了减少舱内噪音，设计人员反复进入舱内体验，排查噪声来源，逐项解决问题。舱内设置了空气检测和净化调节装置。这个装置除了能过滤舱内材料释放的微量有害物体，还能抑制微生物的生长，调控温度湿度。为了给航天员一些私人空间，天宫一号中还设置了专门的密室，航天员可以在不被任何人听到、看到的情况下和自己在地面的家人进行视频通话。
航天员们对于这些设计的体验将是未来中国空间站“内部装修”方案的重要参考。可以说，天宫一号就是未来空间站的第一间样板房。
在神舟九号任务期间，宇航员还进行了手控交会对接试验。与主要依靠手控的美国不同，我国的交会对接以自动控制为主，与俄罗斯相似，但航天员也掌握了手控对接能力，作为自动对接的必要补充和备份。在神舟九号进行手控对接任务时，三名航天员以高超娴熟的技术和过硬的心理素质，将姿态控制的误差缩小到了1度以下，达到了世界一流水平。
本次试验的成功，更使我国成为既美国、俄罗斯之后第三个完全掌握载人交会对接技术的国家。
2013年6月20日，在神舟十号造访天宫一号时，中国的中小学生们迎来了一场别开生面的太空授课。在杨利伟执行神舟五号任务时，由于地面测控站和海上测控船的覆盖范围有限，神舟五号与地面的通信会时常因飞船飞入了测控盲区而中断。即便在测控区域内，飞船与地面的通信带宽也十分有有限，传回的舱内画面并不清晰。
而在40分钟的太空授课中，神舟十号和天宫一号的组合体围绕地球转过了半圈，高清视频信号却能连续稳定的传输到地面上，直播画面中看不到一帧中断，观看太空授课的中小学生还能流畅的和在太空中授课的航天员王亚平进行交流。
这一切，都得益于与天宫一号任务同步进行的“天链一号”天基测控网的建设。无论我国的载人飞船、空间站或其他低轨卫星处于什么位置，三颗处于静止轨道的天链一号卫星均能使她们与地面保持通畅的联系。目前，我国是除美国外唯一一个具备全球天基测控能力、唯一一个进行过太空授课的国家。