除了担任“快递员”的角色外，天舟一号还肩负着多重重要的使命：
使命一：太空中的“加油”任务
未来空间站的长期在轨运行需要补充能源，“加油”成为不可或缺的一环。天舟一号将验证在轨推进剂补加技术，为天宫二号进行在轨加注。这一过程比汽车加油复杂得多，分为29个步骤，每一步都需要精密控制，整个“加油”过程将持续数天。目前，只有俄罗斯和美国掌握了这项技能，而天舟一号的成功实践将为我国空间站的组装制作和长期运营解决动力供应问题的最终障碍。
使命二：演绎“太空芭蕾”
在完成初次交会对接后，天舟一号将与天宫二号共同上演一场高难度的“太空芭蕾”——天宫二号完成180度转体，天舟一号则从下方绕飞，同步完成180度转体，迅速接近天宫二号，并最终实现从前方与其进行交会对接。这一绕飞至前向交会对接的实验并非是天舟一号的“炫技”行为，而是为了保证未来航天器能够从多个方向与空间站进行对接而进行的必要演练。
天舟一号将完成快速交会对接实验，将以往需要两天左右的交会对接过程缩短至6个小时左右，就像是从乘坐“绿皮火车”转变为乘坐“高铁”。这不仅意味着能够减少航天员在飞船狭小空间中的停留时间，使载人太空飞行更加舒适惬意，还能让无法长时间运输的货物尽快送达。这一技术也能更大程度上保障未来空间站的安全，便于应对突发情况的应急处理。
使命四：带领天宫二号一同翱翔
按照正常的飞行模式，天舟一号与天宫二号完成交会对接后，后者将负责对接后的飞行。天舟一号并不会休息，它将展开货运飞船控制组合体实验，接过组合体飞行的“控制权”，带领天宫二号一同飞行。这样做的原因是为了在主飞翔器短暂出现问题的情况下，另一航天器能够立即发挥作用，进行紧急救援。
使命五：空间利用及技术实验
尽管天舟一号的主要职责是“运货”，但它同时能够最大限度地发挥平台效能。随船搭载了几十台载荷设备，天舟一号将在轨道上展开十余项载荷实验。完成任务后，为了防止成为太空垃圾，天舟一号将首次实施自动离轨，落于南太平洋预定安全海域，为创造干净、安全的太空环境做出贡献。这不仅展现了其在空间利用方面的卓越能力，同时也为我国的空间技术发展积累了宝贵的实践经验。