嫦娥1号的四大科学目标：
　　一是获取月球表面三维立体影像，从而划分月球表面的基本地貌和构造单元，初步编制月球地质与构造纲要图，为后续优选软着陆区提供参考依据。目前世界上还没有覆盖整个月面的影像；中国如能获取全月面三维影像，对于更好地了解月球的地质构造和演化历史有着重要的意义。中国将争取比国外已有的此类图像做得更完整、更精细。
　　二是分析月面有用元素含量和物质类型的分布特点，即对月面有用元素进行探测，初步编制各元素的月面分布图。美国已做了5种有用元素的全球性分布与含量，嫦娥1号将探测月面钛和铁等14种可能有开发利用前景的重要元素的分布特点和规律。
　　三是探测月壤特性。中国将首次开展月面的微波辐射探测，获取月壤厚度的全月分布特征，研究月表年龄及演化，估算月壤中氦3的分布和资源量。
　　四是探测地月空间环境，将记录原始太阳风数据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。
　　嫦娥1号选用的有效载荷有6套24件，包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪和太阳风粒子探测器等。其中CCD立体相机是拍摄全月面三维影像的专用相机，在中国属首次使用；成像光谱仪用于获取月面光波图谱；伽马/X射线谱仪用于探测月球表面元素；微波探测仪除用于获取月壤厚度信息外，还能给出月球背面的亮度温度图和月球两极地面的信息。
　　由激光器、望远镜和接收电路三部分组成的激光高度计，由中科院上海技术物理研究所研制。它在探月卫星的发射阶段和转移阶段都处在“睡眠状态”。卫星进入环月轨道后，激光高度计首先向月面发射激光束，并立刻用望远镜把反射回来的光束变成电信号；接着，接收电路盒将迅速进行精确计算，用最短时间得出该探测点的月球海拔高度。激光高度计完成绕月旅行，月面每个探测点的海拔高度就一清二楚了。这些数值一旦与CCD立体相机拍摄的平面图像相叠加，就是一幅完整而精确的月面三维地形图。只要激光高度计发射的探测点足够密，就能获得覆盖整个月球的地形图，包括人类探月活动从未涉及的月球两极区域。