天宫一号在结构上可分为资源舱和实验舱。与之前的载人航天器相比，天宫一号为航天员提供的可活动空间大大拓展，达15立方米，能够同时满足3名航天员工作和生活的需要。实验舱前端装有被动式对接结构，可与追踪飞行器进行对接。
1、资源舱
资源舱的主要任务是为天宫一号的飞行提供能源保障，并控制飞行姿态。天宫一号的电源分系统的所有设备（太阳能电池翼）都在资源舱内，并包括了为飞行器提供能量的燃料。天宫一号的导航与制导系统中6个控制力矩陀螺也在资源舱内。导航与制导系统的用途是在天宫一号与追踪飞行器进行对接之际负责寻找目标，而控制力矩陀螺则会对天宫一号进行精确的姿态控制。
2、实验舱
实验舱主要负责航天员工作、训练及生活。实验舱分为前锥段、圆柱段和后锥段。对接完成后航天员进入全密封的前锥段和圆柱段进行工作、训练，一些必要的生活活动、睡眠等也大多都在这里进行。后部非密封的后锥段安装再生生保设备。
实验舱内设有使航天员保持骨骼强健的健身区。
在“天宫一号”里，航天员生活的实验舱也是飞行器运行的核心舱，里面有很多电子设备。对此，设计师采取了“藏”的策略，把航天员用不着的东西都装修在里面。暴露在外面的设备都采用了圆角的设计，可避免航天员与设备之间的碰撞，保证了安全。
在“天宫一号”内，每个区域旁边都设有数量不等的手脚限位器，总数达到30余个长约20厘米、采用锦丝带材质的手脚限位器被巧妙地安放在舱壁四周。这种“小身材”装置却有着大功效，它是保证航天员在失重飘移状态下，便于手脚着力的唯一“法宝”，也是舱内数量最多的一种设备。
为保证航天员的娱乐，“天宫一号”组合体里还专门给航天员提供了用来娱乐的笔记本电脑，航天员在工作之余、在睡觉之前，可以用笔记本电脑来上上网、发发微博、看看大片，播放一些自己喜欢的歌曲和音乐，或者进行其他的娱乐活动。
3、技术特点
天宫一号在寿命、对接口等方面不同于其他空间站。
首先，试验性空间站在轨寿命通常低于5年，而其他空间站可达5至10年，或者更长；其次，试验性空间站的规模较小，对接口也少，没有扩展能力。而其他空间站至少有两个对接口，能同时对接载人运输器、货物运输器或专用实验舱；三是试验性空间站上的航天员一次在轨时间较短，一般是几十天，而其他空间站上的航天员一次在轨时间大多为百天以上。
此外，两者的区别还体现在：试验性空间站上的燃料和消耗品原则上要一次带足，其他空间站则是用货运飞船定期进行多次补给；试验性空间站上的有效载荷设备很少更换，但其他空间站可多次更换和增加实验仪器；试验性空间站上的航天员一般不进行航天器的维修工作，只进行试验、训练等，而其他空间站上的航天员要经常进行维修工作。
天宫一号与国外试验性空间站在功能和用途方面有相似之处，但质量较小，约为8吨，而国外试验性空间站都为20吨级以上，因此称其为简易“空间实验室”更加合适。
日前，中国载人航天工程办公室正式公开发布天宫一号应用数据推广使用相关政策，以进一步推动天宫一号应用数据更好地服务于国民经济建设和科学研究等方面。2014年3月2日，中国科学院空间应用工程与技术中心在北京与中国航天科技集团公司所属中国资源卫星应用中心等三家单位，签署了“天宫一号应用数据商业代理协议”。
4、运行
天宫一号绕地球一圈的运行时间约为90分钟。
天宫一号的运行轨道高度在与飞船交会对接时大约距离大气层340公里；无人期间则会适当调高，约370公里，以减小轨道衰减速度，更节约能源。
