一旦登月成功，大陸將成為繼前蘇聯和美國後，全球第3個掌握月面軟著陸技術的國家，也意味著大陸完成探月的第二階段「落，即著陸」的任務，接下來朝登月後探測器採樣後再返回的階段邁進，並為2030年前派人登月作準備。
據大陸被喻為「嫦娥之父」的中國科學院院士歐陽自遠指稱，嫦娥3號將在月球虹灣著陸，即古人所稱的廣寒宮、月桂樹所在地。
「一分鐘準備！」2日1時29分，在四川西昌衛星發射中心，零號指揮員鄢利清洪亮的聲音，在靜謐的山谷間驟然響起。所有人的目光頓時聚向長征3號乙運載火箭的2號塔架。「點火！」1時30分倒數結束後，鄢利清發出鏗鏘有力的口令，發射控制台操作手白春波迅速按下了紅色點火按鈕。
一聲仿佛空氣被撕碎的聲音瞬間爆發，轟鳴聲向四週群山壓來，站在千公尺之外的許多人不由自主地捂上了耳朵。火箭騰空而起的那一刻，整個探月工程的上萬名參試人員和數萬台套設備一齊啟動。隨後在1時48分許，嫦娥3號與火箭分離，發射成功。
這是西昌衛星發射中心組建以來的第83次發射，也是全世界第130次月球探測活動。跟之前只是發射繞月球飛行的探測器嫦娥1號及2號不同，對嫦娥3號來說，真正的挑戰還在後頭。嫦娥3號之後將數次變軌，預計在12月6日進入高度為100公里的近月軌道，並於發射13天後在月球上實施軟著陸。
成功軟著陸後，在登月後的90天的時間內內，嫦娥3號著陸器和「玉兔號」月球車將在月球上展開巡察，進行月表形貌與地質構造調查、物質成分和可利用資源調查，以及地球等離子體層探測和月基光學天文觀測。若順利成功，這將是美國阿波羅計畫結束37年後，再有探測器登陸月球。