球表面的基本构造和地貌单元，进行月球表面撞击坑形态、大小、分布、密度等的研究，虽然别的国家已做过类似工作，但已得到的图像中还存在很多空白区，而中国为月球画像则要完全覆盖月球，包括人类探月活动从没涉足的南北极部分区域。分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点，主要是勘察月球表面有开发利用价值的钛、铁等14种元素的含量和分布，绘制各元素的全月球分布图，月球岩石、矿物和地质学专题图等，评估月球矿产资源的开发利用前景等；此前美国曾对月球上5种有用元素：铁、钛、铀、钍、钾做过分布规律与含量的探测，这次中国探月活动将元素探测范围扩大到14种元素，将对月球的一些有用资源进行更为全面的前景评估。探测月壤厚度，即利用微波辐射技术，探测和评估月球表面月壤的厚度，并在此基础上，估算部分有用资源分布及其资源量等。探测地球至月球的空间环境。月球与地球平均距离为38万公里，处于地球磁场空间的远磁尾区域，卫星在此区域可探测太阳宇宙线高能粒子和太阳风等离子体，研究太阳风和月球以及地球磁场磁尾与月球的相互作用等。主要工程目标为：研制和发射我国第一颗月球探测卫星；初步掌握绕月探测基本技术；首次开展月球科学探测；初步构建月球探测航天工程系统；为月球探测后续工程积累经验。
二期工程为“落”，即发射一颗月球软着陆器，并携带一个“月球车”，进行首次月球软着陆和自动巡视勘测，计划在2012年前后发射，主要科学目标为：进行着陆区月貌与月质构造调查和综合研究，测定着陆点的月表的环境，测定着陆点的热流、岩石剩磁等；进行月球内部结构研究，对月岩进行现场探测或采样分析，探测着陆区岩石的化学与矿物成分；日地月空间环境监测与月基天文观测。主要工程目标为：发射月球软着陆器，试验月球软着陆技术；研制和发射月面巡视车、自动机器人；进行高分辨率摄影；为月球基地的选址提供月面环境、月形、月岩的化学与物理性质等数据。
三期工程为“回”，即发射一颗月球软着陆器，进行首次月球样品自动取样并安全返回地球，在地球上对取样进行分析研究，计划在2017年前后发射，主要科学目标为：进行着陆区的探测与研究；采集月球样品返回地球，对样品进行系统的岩石学、矿物学同位素月质和月球化学研究，结合月面物质成分的分析数据，深化月球和地月系统的起源和演化的研究；深化对地月系统的起源与演化的认识。主要工程目标为：发展新型月球巡视车；发展小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器、机器人操作臂等；在现场分析取样的基础上，采集样品返回地球；对着陆区进行考察，为载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供数据。
中国探月工程虽然比美国、俄罗斯晚了四十多年，但要在科学上走出中国的创新特色，深化人类对月球的认识，为详细探测和资源开发打好基础，要有所创新，起码要接近或达到目前国际领先水平，同时使成果在国民经济各个领域逐步得到应用。
“嫦娥一号”卫星由于是中国第一次向深空探测领域的迈进，是第一次对地球以外的星体进行近距离探测，一期工程面临着一系列新的关键技术和难点，须突破系列关键技术，比如轨道设计与飞行程序控制，远距离跟踪测量与地面操作控制的实现等这些以前从来没有遇到过的问题。
孙家栋作为探月工程“五大系统”总设计师，在工程方面他考虑最多的问题自然是工程目标的实现、关键技术的解决途径和大系统的配套协调。首先要确立工程目标，找出主要矛盾，将各系统与之相关的问题搞清楚。以往我国开展的航天活动，全部是在地球引力场作用下的环绕地球运动的航天器，实现对地遥感、通信、数据传输、载人飞行等任务。要实现月球探测，则必须使航天器飞出地球引力场，进入到38万公里远的月球引力场。由于月球以及月球与地球、太阳的相对关系具有其固有的特点，因此，研制和发射月球探测卫星是一个复杂的三体定位问题，与一般的地球卫星有很大的不同。
在制定“嫦娥一号”卫星技术方案的会议上，作为总设计师的孙家栋非常果断地说出了自己的观点，他认为，“嫦娥一号”探月卫星如同其他人造卫星一样，也是由卫星平台与有效载荷两部分组成。在满足技术指标要求的前提下，尽量采用成熟技术，不仅可以提高可靠性，减少资金投入，而且可以缩短研制周期。然而，作为一项新的航天工程，必然是国家最高新技术的集合和应用，必然要采用大量当代最先进的技术，需要研制大量新设备，会遇到和攻克从来没有接触过的新问题。因此，需要将成熟技术与新技术科学地交错使用，最大限度地保证可靠性，保证工程目标的实现，保证为后续任务的发展奠定尽可能多的理论与实践基础。虽然孙家栋说他是在抛砖引玉，供大家制订方案时参考，但大家非常统一地认为这个观点应该作为开展工程的原则。
孙家栋的脑子里经常在反复思考着在地球、月球、卫星三体运动的关系。地球、月球、卫星三体运动条件下，月球探测卫星的轨道设计，较以往地球、卫星相对运动条件下的设计更为复杂。
孙家栋举了个例子说：“卫星在地球上发射，但在发射那一刻，月球在太空的什么位置？因为地球与月球都在时刻不停地转动，地球在什么季节与月球的距离最近？最有利于发射控制？都是非常严格的，对运载火箭轨道设计的精确度要求则更为严格，对各个系统的要求也非常苛刻。”
孙家栋还讲道：“探月卫星的发射，计算好在某一天、某一时段几点几分发射轻易是不能变的。”说到这里，他竟然很流利地像小学生背数学口诀似的说：“比如计划好要在某年的4月18日发射，发射时间就要定在6时23分，如果推迟一天，就是6时28分，再推迟一天，就成为6时33分。本来发射就是一件很难的事情，卫星又必须确保在这个时间里准确发射升空就更是难上加难。火箭点火是牵动全局的事情，与之有关的火箭、卫星、发射场、测量控制、通信保障等系统，都要保证与这一发射时间绝对同步，绝对是新的尝试，当然也是一场挑战。仅五大系统绝对同步这一要求，就是中国以前所有的航天发射从来没有经历过的。”
孙家栋多年来养成了一个习惯，脑子里只要装上了问题，就会觉得茶无味、饭不香，他会沉默寡言，日思夜想。有好几次，有时是半夜，有时是凌晨，老伴醒来发现床上的老头不见了，细听房间没有一丝动静，吓得她大喊。孙家栋却很沉稳地说：“你睡你的觉，不要大惊小怪。”原来，孙家栋夜里起来看到窗外挂在空中那明亮的月亮，总会身不由己地到凉台上看上几眼，他仔细看着月亮在慢慢地移动，心里在默默琢磨月亮与工程总体的一些技术方案的联系。有时他在窗前一站竟是几个小时，折腾得老伴也睡不踏实，一会要给他披衣服，一会要给他搬椅子让他坐在那里看。但有一条，老伴会看他的眼神行事，绝不敢打乱他的思绪惹他不高兴。有一次，孙家栋在凉台上从后半夜一直站到了天空泛白、月亮轮廓变淡的时候，老伴才打趣地说：“月亮真好看是么，看够了，看出名堂了，呵呵，是不是该吃早饭了，司机都该来接你了。”这时的孙家栋却似乎没有倦意，早饭吃得似乎比平常还要多，想必是观察月亮有了新的感悟……
按照发射程序，卫星首先由运载火箭送入地球大椭圆轨道，与运载火箭分离后，利用自身推进系统经过三次调相轨道加速，进入地月转移轨道，在此期间卫星需要进行多次轨道调整和姿态机动，以确保能够准确地被月球引力捕获。卫星在地月转移轨道运行4～5天后，进入月球捕获轨道，进行三次制动，分别经过三个不同轨道阶段进入月球的目标轨道，执行预定任务。卫星从发射到进入月球目标轨道共需飞行8～9天。
卫星姿态控制的三矢量控制问题也是难点之一。在环月飞行期间卫星姿态要一直保持对月、地、日三个天体定向，各种探测器要保持对准月面，以完成科学探测任务；卫星发射和接收天线要保持对地定向，以将科学数据传回地球，供地面应用系统研究；卫星的太阳能帆板要保持对日定向，为了使电池阵尽量获得日照，需采用正飞和侧飞两种姿态，以获得正常工作所需的电力，但也增加了姿态控制的附加要求和能量要求。在卫星运行期间，月、地、日三个天体都是相对运动的，姿态控制是三矢量控制过程，需要在卫星整体布局、质量分布、多轴控制跟踪等方面进行很多新的理论研究，也带来许多工程实践上的挑战。
卫星环境适应性设计是一个崭新的课题。卫星运行的复杂空间环境是以前从来没有遇到过的，这将对卫星及星上设备的环境适应性、可靠性提出了更高的要求。比如，地月空间的强辐照环境会对电子器件产生很大影响，月球在对日面、背日面条件下的温度变化会在摄氏…170度到130度的梯度内变化，所以对探测器的温控要求更高。
远距离测控与通信问题是以往我国航天活动所没有经过的。月球探测一期工程的最大考验是对卫星进行跟踪的测量控制系统。中国航天50年来，我国卫星到达的最远距离是地球同步轨道，约7万公里，而月球距地球大约38万公里，这将给测控系统的传输能力带来了新的挑战。此外，卫星在飞往月球的漫漫长路中，必须要对卫星实施多次姿态调整，对卫星进行姿态调整，就必须要对卫星准确测量、准确定位，为地面提供精确的数据。由于我国本土从东到西只有5000公里，空中遥远的卫星如果飞出中国国土的观测区便会丢失，我国目前尚未建成深空测控网，仍然在采用航天测控网和天文观测网相结合的办法，虽可基本满足要求，但余量太小，将给测控的连续性提出更高的要求，解决这些难题，将会使我国继实现应用卫星、载人航天飞行之后，填补我国在深空探测方面的测控空白。
绕月探测工程由月球探测卫星、运载火箭、发射场系统、测控系统和地面应用系统五大系统组成，在这五大系统中，将坚持使用中国自己的技术、自己的设备、自己的产品、自己的设计、自己的条件来完成。绕月探测工程五大系统必须有高度统一的协调配合，每个系统都必须在所要求的时间内按照总体计划，保质保量地完成各自的研制任务。
探月工程采用的卫星平台，以中国成熟的“东方红三号”卫星平台为基础进行研制，选用“东方红三号”卫星平台主要是鉴于这种卫星平台的成熟性和高可靠性。该卫星平台采用了许多较先进的技术，如全三轴稳定、统一双组元液体推进、公用平台设计、大面积密栅太阳电池阵和高强度轻重量碳纤维多层复合材料等。此卫星平台1997年5月首次投入使用后，虽然利用这个平台在其他型号的卫星上进行了多次应用，但是，作为“嫦娥一号”的卫星平台却与中国以前所有的卫星平台都不一样，“嫦娥一号”的卫星平台在轨道，测控，制导、导航与控制系统和热控分系统等方面都有自己的独特之处。“嫦娥一号”的卫星平台充分继承“东方红三号”卫星平台，并在此成熟技术和产品上进行适应性改造。这种改造针对航天工程本身就是一种科学的方法，因为所谓的适应性改造，实际是在继承基础上的创新，包括突破一批关键技术。例如三维定向技术，也就是使卫星的太阳能电池板、探测头和传输信息的天线分别始终保持能够对准太阳、月亮和地球。另外，在地球、月球和卫星三者间进行探月卫星的轨道设计和紫外月平仪的研制也需要开展技术攻关。这样的三维控制系统和紫外月平仪是过去没有的，具有相当高的技术难度。
“嫦娥一号”卫星上选用的有效载荷共6套24件，包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪和太阳风粒子探测器等。其中CCD立体相机是拍摄全月面三维影像的专用相机，在中国属首次使用。成像光谱仪用于获取月面光波图谱。伽马/X射线谱仪用于探测月球表面元素。微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外，还能给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息。集望远镜、激光器和接收电路三部分为一体的激光高度计，由中科院上海技术物理研究所研制。它在探月卫星的发射阶段和转�