第二階段：稱為“落”，發射月球軟著陸器，試驗月球軟著陸和月球車技術，就地勘測著陸區區域的地形地貌、地質構造、岩石成分與分布，探測月壤和月殼的厚度與結構……歸結起來，有這樣幾個探測目標：月表形貌與地質構造調查；月表物質成分和資源勘察；月球內部結構研究；日-地-月空間環境探測等。第二階段的探測是直接在著陸區作近距離的探測，亦即在第一階段遙感探測的基礎上對區域月表進行精細的探測，兩者互為補充，可以深化對月球的認識，初步定於2012年左右發射。
這裏再對月表物質成分和資源勘察說幾句，月表物質成分是了解月球演化曆史的關鍵，也是月球科學最基礎的工作。月球蘊含豐富的礦產和能源資源，特別是月壤中含有地球上無法企及的大量核聚變燃料3氦，開發和利用月球資源是人類探測月球的動力之一。從中可以看出對月表物質成分和資源勘察的重要性與必要性。月球內部結構的研究也是科學家們所關注的問題，月球內部的結構組成不但體現月球目前的狀態，還記錄著其形成和演化的信息。月球內部結構的探測不僅可以使人類認識月球的狀態、結構和組成，而且為了解月球的起源和演化提供了最可靠最直接的證據。通過對月球內部結構的研究，還可以獲取月震和小天體撞擊月球的確切資料，從而為完善月球內部結構的模型提供直接的科學依據。
第三階段：稱“回”，把在月球采集的樣品送回地球，在實驗室作精確的測試、分析和研究。要實現這個目的，必須發射帶有自動采樣返回艙的著陸器(或月球車)，選擇合造的地點進行鑽孔采樣和機械臂采樣，然後返回艙從月麵起飛，將月球樣品帶回地球，在實驗室作精確的測試分析和研究。第三階段工程實施後必然會更深化對月壤、月殼和月球形成演化的認識，這樣會給今後月球基地的選址和建設提供重要依據。
在第三階段中采集月球樣品必須使用機器人，據資料介紹，經過多年的研製，我國已建成模擬的“機器人遙控操作係統”，即模擬科學家在地麵操作太空機器人做一係列的動作。太空機器人將在中國人登上月球前承擔主要的探測任務。與此同時，在第三階段中，我國自行研製的月球車也將在探測月球中亮相，計劃於2017年前後實施“回”工程。“嫦娥工程”作為我國探月計劃第一階段“繞月飛行”的名字，其緣由來自我國古代嫦娥奔月的美麗傳說。很自然，要執行繞月飛行的第一顆衛星被稱為“嫦娥一號”。