6月21日09時16分，地面發送指令，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室分離；按程序，天舟一號逐步退至前向120米并保持位置，待地面確認狀態正常后，發令控制天舟一號正常撤離，天舟一號建立三軸穩定對地飛行姿態，在高度約390公里的近圓軌道上開始獨立運行。

在此階段，天舟一號繼續開展空間應用和航天技術等領域的多項實（試）驗，擇機釋放立方星，與天宮二號進行自主快速交會對接和第三次推進劑補加試驗。

按照計劃安排，獨立運行階段任務結束后，天舟一號還將視情開展拓展試驗和應用。