孙家栋不愧是航天工程的总体大师，在航天发展新跨越的重要历史关头，又一次发挥了他的独到见解。按照他的几轮描绘，庞大繁杂的头绪清晰起来。孙家栋的想法立即得到了栾恩杰和欧阳自远的赞同。英雄所见略同，他们三人分头行动，立即着手组织专家按照新的思路进行专门论证，开展编制技术经济可行性研究报告等工程立项方面的实质性的前期工作。
2001到2002年间，孙家栋受国防科工委委托，组织全国各方面力量，开展了我国月球探测卫星的科学目标与有效载荷配置的研究，对我国月球探测关键技术的解决途径，对月球探测工程的综合立项工作进行了反复论证。通过为期一年的综合论证，最后得出结论：科学目标明确、先进，技术能够实现，没有颠覆性的技术问题，为国家的最后决策提供了科学依据。
大年初二，总理批准了“嫦娥一号”工程
中国的探月计划从论证开始，就受到国家领导人的高度重视，2002年10月17日，国务院第三次会议上，朱镕基总理批示要抓紧探月工程的论证工作。
2003年2月28日，国防科工委在北京召开了200余人参加的“2003年民用航天工作会暨探月工程筹备会”。国防科工委邀请孙家栋等20名院士作为正式会议代表参加了会议。会上，国防科工委副主任栾恩杰作了题为《与时俱进，开拓进取，谱写中国航天新篇章》的报告。报告中提出了“正式启动探月工程筹备工作”。时任国防科工委主任的刘积斌宣布了探月工程组织系统名单，任命孙家栋为探月工程筹备阶段的总设计师，由他负责组织工程总体方案研究实施的筹备工作，孙家栋的肩上挑起了中国航天又一里程碑性质的新重担。
2003年9月，国防科工委向中央专委汇报了《我国月球探测工程具体思路》。
温家宝总理对开展绕月探测工程十分重视。2004年1月23日（农历大年初二），温家宝总理批准绕月探测工程立项，将我国第一个月球探测工程命名为“嫦娥一号”工程，绕月探测工程正式启动。
2004年2月19日，国务院批准成立由国防科工委任组长单位，国家发展与改革委员会、科学技术部、财政部、总装备部、中国科学院、航天科技集团公司等单位参加的绕月探测工程领导小组。接着，在国务院批准成立绕月探测工程领导小组不到一周的时间内，国防科工委便组织召开了绕月探测工程小组第一次会议。
2004年2月25日，国防科工委宣布：绕月探测工程于即日起正式实施。孙家栋参加了会议，他的内心异常激动，中国航天开始了脱离地球飞向月球的挑战。此时压在孙家栋肩上的担子虽然沉重，但作为航天人对中国航天的热爱，则是一件令人兴奋的大事。
