9月12日23时58分，天舟一号货运飞船顺利完成了与天宫二号空间实验室的自主快速交会对接试验。这是中国载人航天工程空间实验室飞行任务圆满成功后组织实施的系列拓展试验项目之一，旨在验证货运飞船的快速交会对接能力，进一步发挥任务的综合效益，为中国空间站工程后续研制建设奠定更加坚实的技术基础。
试验开始前，地面科技人员对天舟一号先后实施了4次轨道控制，保证天舟一号与天宫二号快速交会试验的初始轨道条件，完成了相关试验准备。
宿迁驾校报名9月12日17时24分，地面判发指令，控制天舟一号转入自主快速交会对接模式，分远距离自主导引和近距离自主控制两个阶段实施。在远距离自主导引段，天舟一号自主导引至远距离导引终点；在近距离自主控制段，天舟一号在天宫二号的配合下，利用交会对接相关导航设备，完成与天宫二号交会。之后，天舟一号与天宫二号对接机构接触，完成对接试验，整个过程历时约6.5小时。
后续，天舟一号还将视情开展第三次、也是离轨前最后一次推进剂在轨补加试验