2010年10月1日18时59分57秒，在西昌卫星发射中心科技人员的稳健操作下，作为“探月二期工程先导星”的嫦娥二号再次实现“零窗口发射”。

在此次任务中，中国航天人使用长征三号丙火箭，首次使用直接地月转移轨道发射技术，相比嫦娥一号，节省了7天的入轨时间，实现高可靠零窗口发射，节省了大量燃料。

这次任务首次实现100公里月球轨道捕获和近月点15公里的低轨绕月探测，得到了图像分辨率1.3米的虹湾局部三维影像图，为嫦娥三号着陆找好了“落脚点”。嫦娥二号获取了世界上首张7米分辨率100%覆盖的全月图，并首次实现人类探测器从月球轨道飞向日地拉格朗日L2点开展科学探测。