L'engin nommé Wentian, d'environ 20 tonnes et sans astronaute à bord, a été propulsé par une fusée Longue Marche 5B à 14H22 (06H22 GMT) depuis le centre de lancement de Wenchang, sur l'île tropicale de Hainan (sud).
Un quart d'heure plus tard, un responsable de l'agence spatiale chargée des vols habités (CMSA) a annoncé le "succès" du lancement.
Long de près de 18 mètres et d'un diamètre de 4,2 mètres, ce module-laboratoire doit venir s'amarrer à Tianhe, le premier module de la station qui est déjà en orbite depuis avril 2021.
L'opération d'amarrage constitue un défi pour l'équipage car elle nécessite plusieurs manipulations successives, de haute précision, notamment avec un bras robotisé.
"C'est la première fois que la Chine doit amarrer des véhicules aussi grands ensemble" et "c'est une opération délicate", explique à l'AFP Jonathan McDowell, astronome au Centre Harvard-Smithsonian pour l'astrophysique, aux Etats-Unis.
Une manipulation qui devra être répétée avec la venue plus tard en 2022 d'un nouveau module-laboratoire.
Au final, "cela permettra à la station d'être beaucoup plus performante, avec l'espace et la puissance nécessaires pour réaliser davantage d'expériences scientifiques", souligne M. McDowell.
Doté de trois espaces de couchage, de toilettes et d'une cuisine, Wentian servira de plateforme de secours pour contrôler la station en cas de défaillance.