2003年2月，国防科工委召开了月球探测工程筹备动员会，确定了3人筹备领导小组，正式全面启动月球探测工程前期工作。
2004年1月23日农历大年初二，是一个值得在中国历史上留下重大印记的日子，探月的轮廓在一次次缜密的描绘中一节节浮出水面，就像十月怀胎终于分娩。这一天，新一届国务院总理温家宝批准“嫦娥”绕月工程立项，而且对后续工程，总理也作了批示：“建议纳入国家科技长远规划编制工作中充分论证。”
有了国家层面的高度重视，工程的组织工作就顺畅多了。国防科工委请出德高望重的“两弹一星”功勋、中国航天科技集团公司高级顾问孙家栋院士负责协调构建工程框架。这是一位曾担任我国第一颗人造卫星技术总管、敢于讲实话的航天专家。在“文革”的“红色”年代，他向总理告状的传奇故事流传甚广：1969年，在研制“东方红1”号卫星时，他向周总理反映，“卫星的许多仪器被嵌上了毛主席像章，大家热爱毛主席的心情可以理解，可是这不仅增加了卫星的重量，影响卫星散热，而且对卫星的姿态会带来影响。”周总理说：“你看我们人民大会堂，哪儿也没有毛主席的头像，政治挂帅是要把工作做好，而不能庸俗化。你们回去把道理给大家讲清楚，搞卫星一定要讲科学性。”听完周恩来的这番话，孙家栋果断地指挥大家按科学规律办事，成功地实现了我国第一颗人造卫星“东方红1”号的顺利升空。
此时，孙院士召集了全国航天工程技术人员和月球科学家之精华，对探月一期工程——绕月探测进行了为期2年多的综合论证。这项论证是整个工程的关键，实现月球探测是一项非常复杂的系统工程，怎样在我国现有的技术水平和有限的费用条件下，实施这一复杂的多学科高技术集成的系统工程是一项巨大的挑战。只有完成科学的综合论证，才能使探月的科学目标通过可以实施的工程变成现实。这不仅包括工程的总体方案和5大系统的确定，还包括各部分系统之间的协调与组织；在综合论证中，不但要选择使用哪种运载火箭、卫星平台，还要解决怎样实现38万千米距离的精确的测控，选取怎样的奔月轨道等各种工程技术和理论问题。在1年多的综合论证中，孙家栋院士结合中国航天技术的实力，集思广益，把众多的复杂问题像剥笋一样层层剥开，然后去掉细枝末节，详细分析，直到抓住真正的技术核心问题并提出可行的技术思路。在探月一期工程的综合论证中，最令人担心的是我国的深空测控能力不足。以前，我国航天器飞行的最远距离是距地球7万千米，我国的航天测控这只“手”最远也只能抓到这么远，那么利用现有的设施能否追踪上38万千米外的月球探测器，便成为了最大的难题。经过2年多的努力，孙院士带领一批专家足迹踏遍千山万水，数据分析千遍万遍，克服了重重困难，最终落实了技术方案：用现有的载人航天测控网，再加上中国科学院北京、上海、昆明天文台组成的天文观测网——甚长基线干涉测量系统，可以完成绕月探测器的测控任务。
深入的综合论证还表明，发射绕月探测器完全可以采用我国现有的火箭和卫星平台，从而用最成熟的技术、最可靠的性能和最低的成本来发射中国的首枚月球探测器。运载火箭将利用“长征3”号甲火箭现有成熟的技术加以适应性修改，以满足绕月飞行条件。绕月探测器将使用“东方红3”号卫星平台，并安装探月专用仪器；发射场选择中国的3大发射场之一——西昌卫星发射中心；测控任务则由航天测控网和天文观测网联合承担。
有了明确的大政方针，中国的探月工程开始驶入快车道。国防科工委迅速组织各有关研究院所开展相关技术的预先研究，各单位热情高涨，中国航天人和空间科学家早就抑制不住奔月的热切心情，在国家尚未完成工程立项时，大家毫不犹豫地自筹资金“干！”有的单位想尽办法筹措费用，甚至想到用拍摄月球大战的电影大片来筹集资金；中国科学院、中国航天科技集团公司等许多单位都自筹资金开展了攻关研究，提前投入到预先研究中，为立项后顺利开展研制工作奠定了基础。
此后，国防科工委组建了探月工程中心，探月论证的领衔人物，工程总指挥栾恩杰、总设计师孙家栋、月球探测应用首席科学家欧阳自远，迅速建立了整个指挥线和总师线，各下属研究机构也成立了相应的研究部门，在统一协调下，大家“拉开架势”迅速到位展开了工作。
2007年10月，“嫦娥1”号开始了她激动人心的奔月之旅。
中国首个月球探测器——“嫦娥1”号月球探测器
“嫦娥1”号是中国自主研制并发射的首个月球探测器。该探测器以中国古代神话人物“嫦娥”命名。
“嫦娥1”号月球探测器
资料表明，“嫦娥1”号主要用于获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布特点、探测月壤厚度、探测地月空间环境等。整个“奔月”过程预计需要8～9天。“嫦娥1”号发射成功，使得中国成为世界第五个发射月球探测器的国家地区。
“嫦娥1”号是中国的首颗绕月人造卫星，由中国空间技术研究院承担研制。“嫦娥1”号平台以中国已成熟的“东方红3”号卫星平台为基础进行研制，并充分继承“中国资源2号卫星”、“中巴地球资源卫星”等卫星的现有成熟技术和产品，进行适应性改造。卫星平台利用“东方红3”号卫星平台技术研制，对结构、推进、电源、测控和数传等8个分系统进行了适应性修改。数据资料显示，“嫦娥1”号星体为一个2×172×22米的长方体，两侧各有一个太阳能电池帆板，完全展开后最大跨度达181米，重2350千克。有效载荷包括CCD立体相机、成像光谱仪、太阳宇宙射线监测器和低能粒子探测器等科学探测仪器。
专家指出，“嫦娥1”号月球探测卫星由卫星平台和有效载荷两大部分组成。“嫦娥1”号卫星平台由结构分系统、热控分系统、制导，导航与控制分系统、推进分系统、数据管理分系统、测控数传分系统、定向天线分系统和有效载荷等9个分系统组成。这些分系统各司其职、协同工作，以保证月球探测任务的顺利完成。
根据中国月球探测工程的4项科学任务的需要，科学家们在“嫦娥1”号上搭载了8种24台科学探测仪器，重130千克，即微波探测仪系统、γ射线谱仪、X射线谱仪、激光高度计、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器、CCD立体相机、干涉成像光谱仪。
为了保证完成月球探测工程任务，对承担卫星发射任务的“长征3”号甲火箭进行了41项可靠性的设计工作，以提高其运载可靠性。
“嫦娥1”号探月卫星发射成功在政治、经济、军事、科技乃至文化领域都具有非常重大的意义。
从政治领域来看，“嫦娥1”号发射成功体现了中国强大的综合国力以及相关的尖端科技，是中国发展软实力的又一象征，表明了中国在有效地掌握和利用太空巨大资源、实现科研创新、凝聚民心、增强国家竞争力等一系列远大目标的决心与行动。“嫦娥1”号在十七大胜利闭幕之际成功发射升空，无疑是对中共十七大献礼的最好礼物。这将极大地振奋全国人民的民族精神，提高中共的执政威信。历史已经多次证明，在事关全民族利益、指向国家改革开放深化的重大时代事件面前，民众与中央上下同欲，其产生的集中效应不但能确保“嫦娥奔月”成功，也能在以后的日常建设中起到领航灯作用，保证社会又快又好地和谐发展。“嫦娥”奔月的成功，还将意味着在国际空间开发和探测上，中国必将占有一席之地并且具有发言权。这也是中国在发射“嫦娥1”号探月卫星后，要求成为国际空间站第17个成员国的原因所在。
而从经济领域来看，“嫦娥1”号探月卫星的发射成功将带动信息、材料、能源、微机电、遥科学等其他新技术的提高，对于促进中国社会经济的发展和人类社会的可持续发展具有重要意义。同时，月球上特有的矿产资源和能源是对地球上矿产资源的补充和储备，将对人类社会的可持续发展产生深远的影响。月球表面具有极其丰富的太阳能，月壤中蕴藏的丰富的氦-3也能提供新型核聚变的材料，应用前景广阔。
从军事领域来看，“嫦娥1”号探月卫星的发射成功表明我国的导弹打卫星和激光摧毁卫星的技术已经日臻成熟。虽然这次“嫦娥1”号卫星没有携带任何与军事有关的设备，但是中国的运载火箭可以在发射出现故障时实施紧急关机，飞船和卫星可以在外太空实施数次变轨，当卫星发生故障，可以用弹道导弹或者激光予以摧毁，显示我国如果要在外太空实现军事用途也并非难事。
从科技领域来看，它将促进中国航天技术实现跨越式发展和中国基础科学的全面发展。月球探测将推进宇宙学、比较行星学、月球科学、地球行星科学、空间物理学、材料科学、环境学等学科的发展，而这些学科的发展又将带动更多学科的交叉渗透。目前中国科学家对月球的了解和认识往往依赖于他国提供的材料，这样就丧失了许多研究月球的机会。
从文化领域来看，“嫦娥1”号的发射成功具有重要的启蒙意义。探月给人类本身带来了社会发展理念的“颠覆性改变”，人类第一次将思维与身躯同时挣脱地心引力的束缚，进入到地球以外的无限宇宙空间中，实地接触了月球表面，人类之前所摸索出的各种科学理论得到部分验证或反证。人类文明编年史从国家疆域、地球视野进入到“光速世界”，堪称又一大跨越。
“嫦娥”奔月的成功带给中国人的是加快发展的坚定信心，就如当年中国爆炸原子弹之后全世界华人的欣喜。中国历来都是一个大国，可是中国却在很久以前丢掉了自己的强国地位。每一次成功带来的国家强大的希望对于中国人都是激励，这种激励又进一步刺激了新的成功，获得巨大的民族动力。“嫦娥”奔月所带来的攻坚精神、创新意识都成为了全民的宝贵精神财富。“嫦娥”奔月是举国关注的公共事件，通过媒体以各种形式传播“嫦娥”奔月的科普知识、时代意义，公众接受了氛围良好的爱国主义教育和科学启蒙。
月球三维图像
月球三维图像是中国第一个探月卫星“嫦娥1”号所描绘的月球表面照片，是由CCD立体相机获取的影像数据，经三线阵数字摄影测量处理制作而成。2009年9月28日，中国首次月球探测工程全月球三维数字地形图通过专家评审。这是目前（截至2009年9月28日）国际上精度最高的全月球三维数字地形图。
这幅全月球三维数字地形图是目前（指2009年9月）国际上覆盖全月球、平面与高程的分辨率最高、数据精度最高的月球三维地形数据，将极大地促进对月表形貌的特征、规律与成因的研究，推动月球构造与区划的科学厘定，深化对月球地质及其演化历史的认识，并为后续月球探测工程的科学目标设计、有效载荷配置、关键技术要求和工程保障条件等奠定重要基础。