天舟一号入轨后，与天宫二号进行自动交会对接，形成组合体，进入组合体运行阶段，组合体在轨飞行约2个月，组合体运行初期，进行第1次推进剂补加试验；组合体运行后期，进行第2次推进剂补加试验，同时测试天舟一号对组合体的控制能力，之后进行天舟一号绕飞交会对接等试验。

此后，天舟一号撤离天宫二号，进入独立运行阶段，天舟一号独立飞行时间不少于3个月，独立运行后期，进行自主快速交会对接和第3次推进剂补加等试验，试验完成后，天舟一号与天宫二号分离。

期间按程序开展空间应用和航天技术等领域的多项试验，完成既定任务后，视情开展拓展试验和应用。在轨任务结束后，经地面决策，天舟一号实施主动离轨，受控陨落至南太平洋预定安全海域。