科学探测仪器
“嫦娥一号”携带了8种24件科学探测仪器，有效载荷重130千克。它们是CCD立体相机、激光高度计、干涉成像光谱仪、γ射线谱仪、X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器。
上述有效载荷不但能够保证绕月球探测工程科学目标的实现，而且能够部分地用于后续的月球探测计划，并为以后的火星等其他天体的探测打下良好的基础。
4大科学探测目标
在环月飞行期间，对月球进行为期1年的环月探测，完成4大科学探测目标。
绘制月球立体地图
月球的地图以前国外已经做过很多，但有很多缺陷。例如，月球上南北纬70°以上高纬度的地方，由于太阳光是斜照的，照相机拍的效果差一些，所以做得不是太好；还有，南北极的地图也没有完全覆盖，而且大多不是立体图。“嫦娥一号”要完成一个覆盖全月高级别的月球表面三维立体影像，以及观测月球的地形地貌，“嫦娥一号”卫星是利用CCD立体相机和激光高度计两者结合来实现的。
“嫦娥一号”卫星的有效载荷要求控制在140千克以下，因此探测仪器要做得小、轻而且精。一般说来，立体影像是由2台或者3台相机从不同的角度拍摄而成，如日本的“月亮女神”月球探测器就是用2台相机从前后两个视角观测月球表面。而“嫦娥一号”卫星的相机设计很巧妙，只用了1台相机。其巧妙之处在于，利用一片面阵CCD组成了这台相机的电子“底片”，在卫星飞行过程中每次只取CCD面阵中的前、中、后3行像素的信号，相机在随卫星的飞行的过程中，对月球表面进行“逐行扫描”，就会获得星下点、前视17°、后视17°三个视角形成的三幅二维原始图像数据，经过三维重构后，月球表面三维立体影像就被再现出来。
激光高度计完全是自主创新的探测仪器，分辨率较高，CCD相机只能在月球表面有光照的情况下获取月表图像，而激光高度计则不受这个限制，在月球背阳面也能照常工作。当探测获得的点积累得足够多时，一张包括月球南北极的全月球的地表数字立体图像就出炉了。
探测月球资源
月球上有很多元素对地球人类的将来是非常有用的，通过探测可以了解，哪些东西是可能对地球人类有价值，这些东西有多少，哪里比较富集等。美国利用1998年发射的月球“勘探者”探测器，探测过5种元素（铁、钛、铀、钍、钾）在全月球上的分布。而“嫦娥一号”探月卫星要做14种元素的全月球分布探测。这样，我们就能更清楚地知道月球上的资源有哪些，以及这些资源的分布情况。
“嫦娥一号”探测月球资源是利用干涉成像光谱仪、γ射线谱仪和X射线谱仪3项探测仪器完成的。
月球表面物质的原子受到宇宙射线粒子的轰击后，会激发出各具特征的X射线和γ射线。一些天然放射性元素不用宇宙射线的激发，自身就能发射X射线或γ射线。通过γ射线谱仪测量γ谱线的能量和通量，专家可以推导出月球表面元素的种类和蕴含程度。
但X射线谱仪和γ射线谱仪只能探测月球表面含有的元素，并不知道这些元素形成了哪些矿物质，这项任务由干涉成像光谱仪来完成。由于不同的矿物质能吸收不同的光波，干涉成像光谱仪就根据这个特征判断岩石的种类。
探测月球土壤层厚度
地球上的石油、天然气、煤炭等能源迟早要耗尽，人类渴望获得一种新的能源。氦－3是可控核聚变发电的重要燃料，据估算只需要100多吨氦－3，就能满足全世界1年的用电量。地球上的氦－3资源严重匮乏，而在月球上的资源却很丰富。通过探测全月球月壤层的厚度，可反演出月球氦－3的资源量和分布。
为了探测月球土壤的厚度和氦－3的资源储量，“嫦娥一号”上搭载了一台微波探测仪，用以实施对月面细致深入的探测，对探测发回的数据进行反演和解析，从而估算出全月球的土壤厚度。
任何温度高于绝对零度（即－273℃）的物体都会产生微波辐射能量。利用不同频率的微波信号穿透月球表面物质的能力区别，便可获取月壤的厚度信息。“嫦娥一号”卫星上的微波探测仪被设计成多频微波辐射计，选择的探测频率有3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz。微波的频率越高，其穿透能力越低，如37.0GHz，反映的仅仅是月球的表面微波辐射，而3.0GHz这个波段穿透能力较强，能反映月表深处月岩和月壤辐射的能量。利用测得的月表不同波段的微波辐射能量信息，专家就能分析出月壤的厚度。
土壤不如岩石那样坚硬，比较松散，也便于加工成各种形状的建筑材料，也容易提取其中的各种资源。因此，月球上土壤厚度的估算，对以后选择在哪个地区建立月球基地也十分重要。
探测地月空间环境
这是我国首次探测距离地球38万千米范围内的日、地、月空间环境，是一项重要的基础性的工作。通过探测太阳宇宙线高能带电粒子和太阳风等离子体，其探测结果能够获得空间环境变化的主要参数，提供相关的日、地、月空间环境信息，研究太阳风和月球以及磁尾和月球的相互作用，对深入认识这些空间物理现象对地球空间以及对月球空间的影响有深远的科学及工程意义。“嫦娥一号”采用搭载的太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器对地月空间环境进行探测。
宇宙充满了各种射线，太阳每时每刻都在向外发射高能粒子、太阳风。地球由于有一层厚厚的大气层环绕在周围，地球上的万物生灵的脆弱生命才得以延续。地球外围的太阳风，在地球磁场的作用下完全变形，所以，科学家在地球上测到的太阳风都受到了地球环境的影响。月球虽然绕地球运转，但受地球磁场的影响极弱，那里直接受太阳风的冲击。从月球探测的长远目标来看，人最终要在月球上开展活动，摸清月球上辐射的情况，有利于采取有效措施保护航天员的生命和身体健康。