“嫦娥一號”不是筆直地飛向月球，而是經過4種不同的軌道飛行以之後飛近月球的。這4種不同的軌道是：調相軌道、地月轉移軌道、月球捕獲軌道和環月工作軌道。
調相軌道
在環繞地球飛行的調相軌道階段，“嫦娥一號”衛星通過4次變軌（1次遠地點變軌，3次近地點變軌）使其達到進入地月轉移軌道前的各項飛行參數要求。
2007年10月24日，“長三甲”運載火箭將“嫦娥一號”送入初始軌道後星箭分離，10月25日17時“嫦娥一號”利用自身的推進係統首先進行一次遠地點變軌，將環繞地球的大橢圓軌道的近地點從205千米提高到約600千米。遠地點仍為509300千米，軌道周期為16小時，然後按程序完成了太陽帆板展開和定向天線展開。10月26日17時“嫦娥一號”衛星實施第二次變軌。這是衛星的第一次近地點變軌，“嫦娥一號”衛星第二次變軌後，進入了24小時周期軌道。遠地點高度由5萬多千米提高到7萬多千米。
10月29日和31日分別進行了第二次和第三次近地點變軌。第二次近地點變軌，衛星遠地點高度由7萬餘千米提高到12萬餘千米，進入繞地飛行48小時周期軌道，第三次近地點變軌，衛星遠地點高度由12萬餘千米提高到37萬餘千米。第三次近地點變軌後，“嫦娥一號”便進入地月轉移軌道，正式踏上奔月征程。
地月轉移軌道
地月轉移軌道又稱奔月軌道。經過調相軌道階段的4次變軌後，“嫦娥一號”即進入飛向月球的114小時的地月轉移軌道。
“嫦娥一號”進入地月轉移軌道入口的時機以及運動狀態，特別是位置和速度，包括速度的大小和方向非常重要，如果時機不對，無法和月球相會：如果速度過大，將無法進入月球引力作用的範圍；如果速度過小，將無法擺脫地球引力場的束縛到達月球。因此，經過調相軌道運動之後，“嫦娥一號”必須達到事先經過仔細設計和審核的位置，並具備所要求的速度大小和方向，才能沿著地月轉移軌道到達月球。為保證“嫦娥一號”按預定的軌道飛行，在飛行過程中，設計規定還要進行2～3次軌道修正。但由於運行軌道精度高，在“嫦娥一號”的實際飛行過程中一次修正也沒用上。
月球捕獲軌道
“嫦娥一號”進入半徑為6萬千米以內的月球引力影響區時，起主導作用的是月球引力，而不是地球引力。這時，飛行軌跡完全變化，由圍繞地球的橢圓軌跡，變成圍繞月球的雙曲線軌道運動。11月5日，地麵控製中心對“嫦娥一號”進行了3次近月點製動減速，最終“嫦娥一號”順利完成了月球捕獲。
環月工作軌道
“嫦娥一號”進入環月工作軌道後，從科學探測需要考慮，要盡可能地對全月麵進行探測，特別是對月球南北兩極的探測，因此，環月工作軌道選擇極月軌道，即軌道相對月球赤道的傾角為90°。“嫦娥一號”的環月工作軌道麵垂直於月球的赤道麵，環月工作軌道高度約為200千米，運行周期約為127分鍾，在這個軌道上，衛星對月球進行科學探測。