中國探月工程由月球探測衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統和地面應用系統五大系統組成。

月球探測衛星系統：由中國空間技術研究院負責研制的月球探測衛星命名為嫦娥系列衛星。即將發射的嫦娥三號探測器主要由著陸器和巡視器組成。任務期間，它們主要承擔月表形貌與地質構造調查，月表物質成分和可利用資源調查，地球等離子體層探測和月基光學天文觀測等三項任務。

運載火箭系統：由中國運載火箭技術研究院負責研制的運載火箭是把搭載的衛星送入預定軌道的運載工具。嫦娥三號發射使用長征三號乙改進型火箭，這是我國目前最大推力的運載火箭。

發射場系統：主要負責組織指揮火箭的組裝、測試、加注及發射，同時負責提供衛星的組裝、測試和發射保障，火箭發射后的跟蹤測量和控制。負責發射的是西昌衛星發射中心。它是中國三大發射場之一，也是我國對外開放最早、發射衛星最多的航天發射場。西昌衛星發射中心先后成功發射嫦娥一號、嫦娥二號衛星。

測控系統：主要負責火箭及衛星的軌道測量、圖像及遙測監視、遙控操作、數據注入、飛行控制等。測控系統主要由北京飛行控制中心，喀什、佳木斯等地面測控站和遠望號遠洋航天測量船組成。

地面應用系統：由中國科學院國家天文臺負責研制和建設。地面應用系統由數據接收、運行管理、數據預處理、數據管理、科學應用五個分系統組成。