一是获取月球表面三维立体影像，从而划分月球表面的基本地貌和构造单元，初步编制月球地质与构造纲要图，为后续优选软着陆区提供参考依据。目前世界上还没有覆盖整个月面的影像；中国如能获取全月面三维影像，对于更好地了解月球的地质构造和演化历史有着重要的意义。中国将争取比国外已有的此类图像做得更完整、更精细。
二是分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点，即对月面有用元素进行探测，初步编制各元素的月面分布图。美国已做了5种有用元素的全球性分布与含量，嫦娥1号将探测月面钛和铁等14种可能有开发利用前景的重要元素的分布特点和规律。
三是探测月壤特性。中国将首次开展月面的微波辐射探测，获取月壤厚度的全月分布特征，研究月表年龄及演化，估算月壤中氦3的分布和资源量。目前月球上已知矿物有100多种，其中5种是地球上所没有的。尤其是氦3。它是一种安全、高效、清洁的新型核聚变燃料，可改变人类社会的能源结构，但在地球上十分罕见。每100吨氦3原料足可以解决全球一年的电力供应，而月球上的氦3储量据估算有500万吨，可满足人类1万年以上的供电需求。每克黄金价值11美元，而每克氦3是400美元。月球潜在矿产资源和能源的开发利用前景，已成为各主要航天国家组织重返月球和开展月球探测的最主要动力。
四是探测地月空间环境，将记录原始太阳风数据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。
上述前三项工作国外还未曾进行过，第四项为中国首次在地球静止轨道以外获取空间环境数据。
中国探月卫星工程还有五大工程目标：一是研制和发射中国第一颗探月卫星；二是初步掌握绕月探测基本技术；三是首次开展月球科学探测；四是初步构建月球探测航天工程系统；五是为月球探测后续工程积累经验。为此要突破月球探测卫星的关键技术；初步建立中国的深空探测工程大系统；验证有效载荷和数据解译等各项关键技术；初步建立中国深空探测技术研制体系；培养相应的人才队伍。
