天宫一号空间实验室全长10.4米,舱体结构最大直径3.35米,为两舱结构,分为实验舱和资源舱。
实验舱为密封结构,为航天员提供基本模拟地面大气环境的条件以及必需的工作和生活设施,拥有约15立方米的航天员自由活动空间。同时能够满足三名航天员工作和生活的需要。实验舱内设睡眠区(包括航天员睡眠所用的睡袋)以及能使航天员保持骨骼强健的健身区。
资源舱位于后部,为直筒构型的非密封舱段,舱外安装太阳能电池帆板,舱内主要安装发动机和推进剂贮箱以及环控气瓶等设备。资源舱为轨道机动提供动力,为飞行提供能源,并控制飞行姿态。