按照任务计划安排，天宫一号将开展空间对地遥感探测应用试验、空间材料科学实验，以及空间环境和物理探测试验。空间对地遥感探测将利用装载在天宫一号上的高分辨率超光谱成像仪，在地球资源、海洋、环境、水土、农林、城市等领域开展遥感观测及有关地面科学研究与应用。空间材料科学实验主要是安排了复合胶体晶体生长等实验，利用空间微重力条件，进行变温、变压和自然结晶等空间实验，研究胶体晶体的结晶动力学与生长优化条件，为新材料制备和应用提供实验数据。天宫一号上还将利用带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器和电离层扰动探测器等设备开展空间环境和物理探测试验。