Vụ phóng được thực hiện bằng tên lửa đẩy Trường Chinh-7 vào lúc 19g41' giờ địa phương từ sân bay vũ trụ Văn Xương, tỉnh Hải Nam. Đài Truyền hình Trung ương CCTV tiến hành truyền hình trực tiếp vụ phóng.
Con tàu mang lên quỹ đạo hơn sáu tấn hàng hóa, gồm nhiên liệu và các vật tư phục vụ phòng thí nghiệm không gian Thiên Cung-2.
Thiên Chu-1 sẽ có ba lần kết nối trên quỹ đạo với phòng thí nghiệm không gian Thiên Cung-2 để tiếp nhiên liệu và kiểm tra thử nghiệm. Tàu có mặt trên quỹ đạo riêng khoảng ba tháng và hai tháng cùng phòng thí nghiệm.
