6月21日9时47分，在经过两个月的组合体飞行后，天舟一号按计划与天宫二号实施撤离，开始进入独立运行阶段。
6月21日9时16分，地面发送指令，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室分离；按程序，天舟一号逐步退至前向120米并保持位置，待地面确认状态正常后，发令控制天舟一号正常撤离，天舟一号建立三轴稳定对地飞行姿态，在高度约390公里的近圆轨道上开始独立运行。
在此阶段，天舟一号继续开展空间应用和航天技术等领域的多项实（试）验，择机释放立方星，与天宫二号进行自主快速交会对接和第三次推进剂补加试验。
按照计划安排，独立运行阶段任务结束后，天舟一号还将视情开展拓展试验和应用。