當美國將 12 名宇航員送上月球并成功進行一系列科學研究時，其他國家也在不斷努力開展月球探測。随著中國综合国力和科技水平的不断提升，中國從 2003 年 9 月開始了 “嫦娥工程” 月球探測計劃。考虑到中國的特點，“嫦娥工程” 將实现 “獲取月球表面的三維影像、分析月球表面有用元素含量和物質類型的分佈特點、探測月壤特性、探測地月空間環境” 四個科學目標。為了实现這四個目標，“嫦娥工程” 將分為 “绕、落、回” 三步進行。“绕” 就是從地球發射月球探測衛星，使其绕月运行，從而能對月球表面進行全球探測。“落” 是指發射月球探測器并在月球表面實現軟着陸，發布月球車在月球表面進行局部探測活動。“回” 是指月球探測器在月球表面着陸并完成样本采集后，再從月球起飛并携带样本安全返回地球，使月球样本可以在地球的实验室中進行詳細的分析研究。
2007 年 10 月 24 日 18 時 05 分 04 秒，中國首颗月球探測衛星 “嫦娥一号” 成功發射。11月 5 日 11 時 37 分，經過首次近月制動，“嫦娥一号” 進入环月轨道。11月 26 日，中國向外發布了首幅由 “嫦娥一号” 衛星拍摄的月面圖像。这幅图像精度達到 120 米，拍摄位置位于月表东经 83° 到东经 57°，南纬 70° 到南纬 54°，涵盖了宽约 280 千米，长约 460 千米的月球表面。在随后的一年多时间里， “嫦娥一号” 衛星所攜带的科學儀器對月球進行了多方位的科學探測，獲得了大量宝贵的科學數據。2009 年 3 月 1 日 16 時 13 分 10 秒，在地面控制中心的控制下， “嫦娥一号” 衛星准確撞击月球表面，圆满完成了中國首次月球探測任务。
2010 年 10 月 1 日 18 時 59 分 57 秒，中國第二颗月球探測衛星 “嫦娥二号” 成功發射。作為 “嫦娥一号” 的備份衛星，“嫦娥二号” 的發射與 “嫦娥一号” 不同，“嫦娥二号” 發射后直接進入地月转移轨道，11月 6 日中午 11 時 38 分進入绕月轨道。由于 “嫦娥二号” 更新了探測設備并降低了轨道高度，因此探測精度比之前有進一步提高。在完成所有既定探測任務后，2011年6月9日 “嫦娥二号” 探測衛星飛離月球，朝着距离地球 150 万千米的地球和月球引力平衡点（称为拉格朗日点 L2）飛去，并于 8 月 25 日 23 時 24 分抵達 L2 点，開展進一步的深空探測，为中國未來探測更遠的天體積累研究數據。