2011年9月29日，天宫一号目标飞行器由FT1火箭发射升空，成功进入预定轨道，应用系统有效载荷顺利启动，预定的对地观测、复合胶体晶体生长和空间环境探测等科学实验与应用研究顺利开展。天宫一号目标飞行器共装载有效载荷23件。
对地观测
天宫一号高光谱成像仪是目前我国空间和光谱综合指标最高的空间光谱成像仪，覆盖可见近红外、短波红外和热红外等多个谱段，达到了国际同类遥感器的先进水平。截至2016年3月22日在轨数据服务终止，地面处理系统总计接收并处理了高光谱数据产品约22TB，包括零级有效数据5TB、一级数据3.7TB、二级数据产品13.2TB，为科学和应用用户提供各级数据产品超过10TB。
天宫一号对地观测数据的应用用户涵盖国家部委、科研院所、高等院校，共计42家，研究领域覆盖矿产和油气资源调查、海洋应用、林业应用、土地利用监测、水文生态监测、城市环境监测等，产出了一大批有价值的应用研究成果，充分发挥了天宫一号空间应用数据产品的综合应用效益。其中，首次应用国内航天高光谱短波红外谱段数据开展矿物分布调查和油气资源调查，为地质找矿和油气资源勘查提供支持信息；首次应用国内高分辨率航天热红外谱段数据开展地表温度反演和沿海海温异常监测,实现了街区尺度的城市热岛效应监测，精细刻画了温排水空间分布及海上目标对海流的扰动；利用高光谱数据开展了大量土地覆盖和森林植被精细分类研究，实现了森林树种亚类的精确识别，在土地利用和生物量反演方面展现出极大优势。作为国家在应急减灾方面重要的支持力量之一，曾参与澳大利亚火灾、浙江余姚水灾以及云南鲁甸地震等应急监测，为相关部门应急救灾和灾后评估提供了数据支撑。
空间复合胶体晶体生长实验
利用天宫一号复合胶体晶体生长实验装置，首次采用Kossel线观测技术在空间开展了复合胶体晶体生长实验，研究单组元和双组元胶体晶体随温度与电场变化的相变动力学过程，为拓展由胶体晶体制备光子晶体积淀了理论认知和技术经验，在光子器件材料制备等方面具有应用潜力。
空间环境探测
空间应用系统利用带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器以及电离层扰动探测器组成的空间环境综合探测系统获得了轨道粒子辐射环境特征，飞行器正飞、偏航等状态下轨道高能质子、高能电子、大气密度、成分、飞行器质量沉积及变化，获得了重要探测结果。探测数据已应用于飞船的轨道、寿命预报和飞船防护设计等。
