“嫦娥三号”于2013年12月14日21时11分，成功软着陆于雨海北部19.51°W，44.12°N的位置处，成为继1976年前苏联的月球24号后首个在月球表面软着陆的探测器。
随即，嫦娥三号开展了着陆器就位探测和月球车月面巡视勘察的联合探测，开始进行“探月、巡天、观地”等科学探测：月表形貌与地质构造调查、月表物质成分和可利用资源调查、地球等离子层探测和月基光学天文观测。根据预定的探测计划，嫦娥三号取得了一系列重要的成果。
而为了纪念中国首次在月球上的成功着陆，国际天文学联合会也正式将嫦娥三号着陆点周边方圆77米区域（图4蓝框区域）正式命名为“广寒宫”。
在整个科学探测期间，除了相机设备获取的影像和地形数据之外，其他搭载的有效载荷也获取了大量的科学数据成果：
月基光学望远镜：国际上首次依托地外天体平台开展自主天文观测。
月基天文望远镜摆脱了大气窗口的限制，在月球表面实现了对多种类型天体（恒星）的近紫外波段（探测波段245~340nm）的科学探测，是国际上首次实现依托地外天体平台开展的自主天文观测。
月基光学望远镜也是嫦娥三号所有科学仪器中工作时间最长的设备，月昼期间每天开机工作约12至18小时左右，截止到2018年6月，月基天文望远镜累计观测时间约为6962小时，共获取了34万多幅图像数据，为恒星演化、致密星和黑洞物理、高能天体等基础科学课题提供了研究支持。
极紫外相机：首次获得月基大视角观测的地球等离子体层图像数据。
着陆器上的极紫外相机可以对地球等离子体层产生的30.4nm辐射进行大视角、长期的观测研究，获取地球等离子体层的图像数据，是国际上首次在月球表面工作的极紫外波段成像仪器。
截止2014年6月12日，极紫外相机在每个月昼期间开展对地球等离子层的观测。共获取了1045幅图像数据，累计观测时间约230小时，为研究等离子体层的结构与动力学，以及电场分布提供翔实可信的数据。
测月雷达：获取月壤厚度分布和月球次表层地质结构相关科学数据。
嫦娥三号巡视器搭载的测月雷达是一种双通道天线雷达，其第一通道工作中心频率为60MHz，厚度分辨率为米级，探测深度大于100m；第二通道工作中心频率为500MHz，厚度分辨率小于30cm，探测深度大于30m。
截至2014年4月27日，测月雷达共开机工作8.3小时，探测的有效距离约为109米，共获取雷达第一通道回波数据18513道，第二通道回波数据32381道，为月壤厚度分布和月球次表层地质结构的研究提供了基础性的数据。
红外成像光谱仪：获取光谱数据。
嫦娥三号巡视器上搭载的红外成像光谱仪对巡视区月表物质类型和矿物组成进行了探测，累计工作时长约8.8小时，截止第二月昼仪器正常工作任务结束，共对4个月壤对象进行了光谱探测，总共获取了840帧可见近红外（光谱范围450nm～950nm）光谱图像数据和2240帧短波红外（光谱范围900nm～2400nm）光谱数据，为着陆点附近矿物组成研究提供了数据。
粒子激发x射线谱仪：获取能谱数据。
嫦娥三号搭载的粒子激发X射线谱仪（能量范围0.5～20keV）在月面工作期间累计时长约4小时，对两个位置点月壤样品的化学成分进行分析，总共获取了2091帧能谱数据。为着陆点附近的元素成分反演等研究提供了数据。