六大工程目標包括：
——突破運載火箭直接將衛星發射至地月轉移軌道的發射技術。突破直接進入奔月軌道的彈道設計技術、運載火箭低溫三子級滑行時間可調技術，利用長征三號丙運載火箭將衛星直接送入地月轉移軌道，降低二期工程後續任務的實施風險。
——試驗X頻道深空測控技術，初步驗證深空測控體制。在嫦娥二號衛星上搭載X頻段應答機，與我國X頻段地面測控設備配合，驗證X頻段測控體制，為嫦娥三號任務積累工程經驗。
——驗證100公里月球軌道捕獲技術。選擇與嫦娥三號任務相似的奔月、月球捕獲軌道，通過實際飛行掌握直接奔月和100公里近月捕獲技術，為嫦娥三號任務探索技術途徑；嫦娥二號衛星在100公里軌道長時間運行，探測100公里軌道空間環境，積累更多的近月空間環境數據，提高月球探測熱紅外分析模型的準確性。
——驗證100公里×15公里軌道機動與快速測定軌技術。開展100公里×15公里軌道機動試驗，驗證嫦娥三號任務著陸前在不可見弧段變軌的星地協同程序；在100公里×15公里軌道飛行期間，驗證100公里×15公里軌道快速測定軌能力，這些測定軌數據對深入研究月球重力場分佈，提高重力場模型精度有重要意義。
——試驗低密度校驗碼（LDPC）遙測信道編碼、高速數據傳輸、降落相機等技術。配置降落相機，校驗其對月成像能力；試驗強糾錯能力的LDPC信道編譯碼技術，提高衛星遙測鏈路性能，為探月工程和其他深空探測項目提供技術儲備；將衛星數傳碼速率提高至 6Mbit／s，試驗12 Mbit／s，以期滿足數據傳輸量增大的需求。
——對嫦娥三號任務預選著陸區進行高分辨率成像試驗。在100公里×15公里軌道，CCD立體相機在 15公里近月點處對嫦娥三號任務預選著陸區進行優於1.5米分辨率成像試驗；在100公里圓軌道，對預選著陸區進行優於10米分辨率成像。利用預案著陸區月表圖像，繪製三維地形圖，有利於定量評估預選著陸區的特性，提高嫦娥三號任務著陸安全性。
四大科學目標包括：
——獲取月球表面三維影像，分辨率優於10米。利用CCD立體相機獲取高分辨率的月球表面三維影像，結合激光高度計獲取的月表地形高程數據，可獲取月球表面高精度地形數據，為後續著陸區優選提供依據，同時為劃分月球表面的地貌單元精細結構、斷裂和環形構造，提供原始資料。
——探測月球物質成分。利用經技術改進的γ射線譜儀和X射線譜儀，可以探測月球表面9種元素——矽、鎂、鋁、鈣、鈦、鉀、釷、鈾的含量與分佈特徵，獲得更高空間分辨率和探測精度的元素分佈圖。
——探測月壤特性。利用微波探測技術，測量月球表面的微波輻射特徵，獲取3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz、37GHz的微波輻射亮度溫度數據，估算月壤厚度。
——探測地月與近月空間環境。嫦娥二號衛星在軌運行期間正是太陽活動高峰年，是探測研究太陽高能粒子事件、 CME、太陽風，及它們對月球環境影響的最佳探測時期。利用太陽高能粒子探測器和太陽風離子探測器，獲取行星際太陽高能粒子與太陽風離子的通量、成分、能譜及其隨時空變化的特徵，可研究太陽活動與地月空間及近月空間環境的相互作用；獲取地月空間環境數據，可為後續探月工程提供環境科學數據。
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