第一次对接完成后，天宫一号与神舟八号以组合体飞行模式飞行。在此期间，对组合体的控制通过天宫一号完成，神舟八号处于停靠状态。组合体在轨飞行12天左右，将择机进行第二次交会对接试验。

　　专家解读(空间站系统副总设计师徐小平)：

　　两个飞行器质量不同，飞行中控制模式不同，它们的组合飞行肯定比一个飞行器单独飞行难。飞船在对接完成后转入停靠状态以延长寿命，这时飞船的能源、大气环境等由天宫提供支撑。组合体内部环境的统一控制是未来载人空间站运行的重要技术。虽然因无人参与，这次试验对大气环境不进行验证，但两个飞行器之间的通道是否畅通至关重要。

　　组合体飞行12天后，对接机构解锁，两个飞行器分离，神舟八号飞船撤离至相距天宫一号目标飞行器140米处停泊，按程序进行第二次交会对接，再次构成组合体。

　　这一阶段的目的是再次验证交会对接技术及对接机构等部件工作的可靠性与稳定性。

　　专家解读(飞船系统总指挥尚志)：

　　两个飞行器能不能正常分离，与能不能对接一样重要。一旦无法分离，未来载人航天器上的航天员就可能面临巨大风险。因此我们设置了三种安全措施保证分离。二次对接的意义则在于确认此项技术的可靠性，也是为未来的神九、神十载人打基础，这一做法有其合理性、经济性，但同时也存在风险。

　　与天宫一号二次分离后，神舟飞船将由倒飞转入正飞状态，进入后续的正常飞行与返回阶段。期间会根据轨道运行参数情况做一次轨道维持，保证飞船返回的升交点能够正常，以便于安全降落。

　　飞船返回再入大气层后，将降落在内蒙古主着陆场区。

　　至此，中国首次空间交会对接任务全部完成，神八飞船完成了它的历史使命。

　　专家解读(着陆场系统总设计师吴斌)：

　　虽然这次交会对接任务是无人飞行，却是为下一步进行有人交会对接做准备的，所有八大系统均按有人状态备战，着陆场系统也不例外。这次任务对搜索回收时间要求更加严格，返回舱正常返回着陆情况下，搜索回收要在两个半小时之内完成，弹道式返回到主着陆场扩大区时，必须在12个小时之内完成搜索回收任务。