2013年12月2日，嫦娥三号探测器在中国西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭送入太空。
三、二、一，点火，起飞！1点30分，长三乙增强型火箭搭载着嫦娥三号探测器从西昌卫星发射中心起飞升空。助推器分离……2点18分嫦娥三号探测器太阳能翻板展开……
时任西昌卫星发射中心主任张振中：现在我宣布，嫦娥三号发射任务取得圆满成功！
嫦娥三号飞行轨道示意图
发射成功，对于搭载着玉兔号月球车的嫦娥三号而言，只是漫漫太空之旅的第一步。接下来，它还要接受软着陆，唤醒和巡视勘察等重重考验，其中，嫦娥三号在月球上着陆的过程最为惊心动魄。
月球没有大气层，嫦娥三号不能使用降落伞减速，只能是一边降落，一边用变推力发动机把速度降下来。当它下降到距离月球100米的时候，它悬停在了空中。中国探月工程总设计师吴伟仁说，着陆器需要依靠自己完成着陆点的选择。
吴伟仁：这个悬停非常重要，悬停就是找着陆点。我们要求下去过后不能超过20厘米的沟渠，同时我们也不能出现8度以上的坡度，尽量平坦一些，这个选择都是着陆器自己自主控制，自主选择。
2013年12月14日21点11分15秒，在飞行了38万公里后，三米多高、一吨多重的嫦娥三号安全着陆在月球表面，中国成为世界上第三个实现月面软着陆的国家，也是实现月面巡视勘探的第三个国家。中国探月工程首任首席科学家欧阳自远说，观天、看地、巡月，这是嫦娥三号需要完成的三大科学任务。
欧阳自远：我们一定要选一些没有人做过的，而中国是开天辟地第一次做。
嫦娥三号没有辜负厚望，它首次在月球上看地球，首次证明月球没有水，首次获得地球等离子体层图像，完成了首幅月球地质剖面图以及首次天体普查。随着嫦娥三号圆满完成任务，中国探月工程“绕、落、回”三步走战略顺利推进，开始全面转入无人自动采样返回的新阶段。
