神舟十號飛船與太空實驗室天宮一號成功自動對接後，三位航天員進入天宮一號，展開一連串醫學及技術試驗。
天宮一號自2011年9月升空，已經在軌道運行了620多日，並早已調整姿勢，在對接軌道等候。
神舟十號經過多次變軌，在早上10時48分轉入自主控制狀態，慢慢靠近天宮一號。
北京航天飛行控制中心確認對接狀態後，神舟十號開始向天宮一號靠攏，兩個飛行器的對接環，在下午1時11分接觸。經過一系列的技術動作後，對接位鎖牢，兩個飛行器連接成組合體，是天宮一號第五次與神舟飛船交會對接。
為了保障航天員的安全，過程中他們一直留在返回艙，即是他們的駕駛室，監察標板上各項數據、執行各項太空指令，以及通過天地通信系統，向地面報告交接的情況。
他們之後到軌道艙更換工作服，下午4時17分打開天宮一號的艙門，三人以漂浮姿態進入。在天宮一號期間，航天員會進行航天醫學實驗和技術試驗，女太空人王亞平亦會透過天地連線，向地面中小學生進行太空授課。
組合體會在太空運行十二日，期間會嘗試一次手動交會對接，進一步驗證技術。神舟十號亦會繞著天宮一號飛行，模擬將來建造太空站，從不同方向跟目標飛行器對接。
