2020年前，探月工程分为三个发展阶段，概括为“绕、落、回”。一期工程的主要目标是实现绕月探测；二期工程是实现月球软着陆探测和自动巡视勘察；三期工程是实现自动采样返回。

2004年1月23日，探月一期工程正式获批立项，揭开了中国开展月球及深空探测活动的序幕。探月一期工程研制和发射了“嫦娥”1号（CHANG'E-1）探测器，这是中国首颗月球探测器，其面临着比近地轨道卫星更复杂的环境和飞行控制过程。探月工程瞄准当前空间技术前沿，高起点地确定了总体方案，经过33个月的技术攻关和研制，实现首飞圆满成功。“嫦娥”1号探测器于2007年10月24日在西昌卫星发射中心用“长征”3号甲运载火箭发射，2007年11月7日进入轨道高度约200千米的环月极轨。通过“嫦娥”1号探测器，建立18米测控天线，突破地月转移、环月飞行、月球卫星测控以及深空数据接收与处理等关键技术，开展月球全球性、整体性与综合性的科学探测与研究，加深对月球科学知识的认识，初步建立月球探测工程系统。“嫦娥”1号探测器的研制与成功，是探月工程取得的重大成果，开启了中国人走向深空探索宇宙奥秘的时代，标志着中国已经进入世界具有深空探测能力的国家行列。

2008年，按照既定的“三步走”战略，探月二期工程立项并进入工程实施阶段。其主要目标是实现在月面软着陆，开展月面就位探测与巡视勘察。工程包括“嫦娥”2号（CHANG'E-2）和“嫦娥”3号（CHANG'E-3）探测器的两次任务。其中，“嫦娥”3号是中国首个在地球以外天体表面实施软着陆的航天器，实现探月二期“落”的任务目标。“嫦娥”2号为工程先导星。

“嫦娥”2号任务作为二期工程的技术先导，在整个任务研制中，面临“周期短、状态繁、关键多、验证难”等特点，项目团队强化系统创新，精心实施，探测器于2010年10月1日成功发射，对直接地月转移、X频段深空测控、降落相机等技术进行试验和验证。“嫦娥”2号探测器完成了月球轨道技术验证和深化科学探测、日-地拉格朗日L2点绕飞探测和图塔蒂斯小行星飞越探测，成为中国首颗飞入行星际的探测器，实现了具有国际特色和水准的多目标多任务探测。“嫦娥”2号探测器的研制与成功实施，开辟了深空探测新领域，开创了任务新模式，取得了“低成本、高质量、高回报”的突出实效，将中国深空探测事业推进到一个新的高度。多项技术成果为后续深空探测任务积累了丰富经验。

“嫦娥”3号探测器包括着陆器和巡视器。于2013年12月2日成功发射，采用“长征”3号（CZ-3B）增强型运载火箭完成发射任务，建立35米口径天线深空测控网，突破直接地月转移轨道发射、月球软着陆和月面巡视、深空测控通信、月夜生存等一系列关键技术，开展月表地形地貌与地质构造调查、矿物组成和化学成分探测、月球内部结构探测、地月空间与月表环境探测和月基光学天文观测等活动，建成基本配套的月球探测工程系统。“嫦娥”3号探测器任务是中国航天领域最复杂、难度最大的任务之一。作为全新的航天器，“嫦娥”3号探测器具有“四新两多两难一紧”的特点。“四新”是指面临月尘、月壤、月面地形地貌、1/6克重力环境等新环境，鉴定设备占80%以上的全新研制平台，工作关系耦合度高、产品集成度高的新模式及全新载荷设备。“两多”是新技术多，协作配套单位多。“两难”体现在地面验证难，整器减重难。“一紧”体现在研制进度紧。作为探月工程二期主任务，“嫦娥”3号探测器的成功实施，实现了中国航天的多个“第一”：实现了地外天体软着陆；实现了地外天体巡视勘察；在航天器上采用放射性同位素热源和两相流体回路技术，实现了探测器在极低温度环境下生存；实现了在月面同时开展就位与巡视综合科学探测；形成了一批先进的月球探测试验方法和特种试验设施。这些成绩的取得，为后续月球及深空探测奠定了坚实的基础。

“嫦娥”3号探测器的圆满成功，标志着中国探月工程“绕、落、回”三步走的第二步战略目标全面实现，是中国航天事业发展又一新的里程碑。通过“嫦娥”3号探测器任务，中国成为继美国、苏联/俄罗斯之后第三个成功实现地外天体软着陆和巡视勘察的国家。

探月三期工程的任务目标是实现月面无人采样返回。在二期工程的基础上，采集月壤样品并返回地球；对着陆区进行考察，为下一步载人登月探测提供数据资料；深化对地月系统的起源与演化的认识。

为降低工程风险，探测器系统研制了“嫦娥”5号飞行试验器。2014年10月24日，飞行试验器成功发射，11月1日返回器以第二宇宙速度再入地球大气，并安全着陆在预定的着陆场。“嫦娥”5号飞行试验器是为了验证半弹道跳跃式再入返回飞行的可行性，确保返回器技术方案的正确性，提高探月三期“嫦娥”5号取样返回任务的可靠性而研制的一颗飞行试验器，是中国首次地外天体返回再入的航天任务。飞行试验任务的圆满成功，使中国掌握了高速半弹道跳跃式返回再入技术，为后续的载人登月、行星际着陆探测及再入返回任务奠定了基础。“嫦娥”5号飞行试验器是三期任务的首次发射任务，“绕、落、回”任务已全部完成。

后续中国将开展探月工程四期，从深化月球科学探测、提升月球探测能力和开展月球资源应用等方面全面系统实施，拟在2030年前在月球南极建成中国的月球科研站基本型，形成人类长期开展科学探测和资源利用验证的月面设施。“嫦娥”4号（CHANG'E-4）作为探月工程四期的首次任务，已于2018年成功实施，实现人类首次月球背面软着陆。2018年5月21日，“鹊桥”号月球中继星由“长征”4号丙运载火箭送入地月转移轨道，24天后成功进入距月球约6.5万千米、距地球约45万千米的L2点使命轨道并稳定运行。2018年12月8日，“嫦娥”4号着陆器/巡视器组合体由“长征”3号乙运载火箭送入远地点42万千米的地月转移轨道，2019年1月3日10时26分安全着陆在月球背面冯·卡门撞击坑预选着陆区，先后完成两器分离、互相拍照，在中继星的支持下，开始长期科学探测。

“嫦娥”4号探测器任务突破了地月中继通信、复杂地形着陆、空间核热/电源等多项关键技术，具备了自主精准着陆、地月L2点中继、高精度高可靠发射、多目标月球测控通信、核电源国产化等能力；带动了新能源、新材料、新工艺、人工智能、先进电子等技术的进步，促进了中国空间射电天文学、行星科学等发展。首次搭载了德国、沙特阿拉伯等多个国家的科学载荷，建立了国际合作的有效机制。

探月工程实施过程中，从系统研发、设计、集成与验证等方面进行系统性的总结和提炼，形成了一套支持月球及深空探测器系统设计与实现全过程的原创模型、工具软件和仿真验证系统，奠定了中国月球及深空探测器系统设计的基础。

探月工程是科学与工程技术的结晶，集中应用了现代工程技术的最新成就，带动了动力学、材料学、医学、电子技术、光电技术、自动控制、喷气推进、计算机、半导体技术、真空技术、低温技术、新材料与新工艺的发展。多种学科互相交叉渗透，产生了人工智能、碳纤维复合材料等一大批影响深远的科学和技术成果，提升了国家自主创新能力。探月工程攻关研制了大量高性能设备，如综合电子、着陆缓冲机构、导航敏感器、两相流体回路、变推力发动机、微波测距测速敏感器等。这些新技术、新产品、新材料的应用并向国民经济的推广和转移，显著促进了中国结构、材料、微处理计算机、微波器件、电子技术等基础学科和工业的快速发展，提高了相关领域装备的国产化水平，牵引和带动了国内基础工业的发展，促进了中国经济与社会发展。

探月工程实施过程中，针对历次任务的新环境，自主建立了月球引力场模型、月球红外模型、月球表面温度场分布模型、月表地形地貌模型、月壤物理特性模型、月尘模型、月表电磁波传输模型、发动机羽流与月面相互作用模型，并集成数字应用、计算机、智能控制、信息通信等技术，构建了中国首个针对多任务目标、多探测方式和全任务周期的月球探测任务系统仿真设计分析和支持平台，在设计阶段开展仿真验证，在任务实施前进行飞行过程预示，在实施后对飞行数据进行分析，为保证方案的正确性和执行过程无差错提供了高效手段。

探月工程是当今世界高新科技中极具挑战性的领域之一，是众多高新技术高度融合的复杂系统工程。探月工程直接推动了月球探测器、运载火箭、深空测控网等工程技术的自主创新发展，促进了中国航天技术水平的整体跃升，为中国进一步开展火星着陆和巡视探测等深空探测活动奠定了坚实的技术基础，并有力带动中国各类应用卫星技术的发展。