隨即，嫦娥三號啟動著陸器就位和月球車月面巡視勘察聯合探測，開始開展“探月、巡天、觀地”等科學探測:月面形貌與地質結構調查、月面物質組成與可利用資源調查、地球等離子體層探測和月基光學天文觀測。按照預定的探測計劃，嫦娥三號取得了壹系列重要成果。
為了紀念中國首次成功登月，國際天文學聯合會正式將方圓嫦娥三號著陸點周圍77米的區域（圖4中藍框區域）命名為“廣寒宮”。
在整個科學探測期間，除了相機設備獲得的圖像和地形數據外，其他有效載荷也獲得了大量科學數據成果:
月基光學望遠鏡:是世界上首次基於地外天體平臺開展獨立天文觀測。
月基天文望遠鏡擺脫了大氣窗口的限制，實現了對月球表面近紫外波段（探測波段245~340nm）多種類型天體（恒星）的科學探測，是世界上首次實現基於地外天體平臺的自主天文觀測。
月基光學望遠鏡也是嫦娥三號所有科學儀器中工作時間最長的設備。它在月球和白天每天工作約65，438+02至65，438+08小時。到2065年6月，438+08月，月基天文望遠鏡的累計觀測時間約為6962小時，獲得了34萬多幅圖像數據，提供了恒星演化、致密星和黑洞物理、高能天體等基礎科學課題。
極紫外相機:首次獲得月球上大視角觀測的地球等離子體層圖像數據。
著陸器上的極紫外相機可以長時間大視角觀測研究地球等離子體層產生的30.4nm輻射，獲取地球等離子體層圖像數據。它是世界上第壹臺在月球表面工作的極紫外成像儀器。
截至2065438年6月2日，極紫外相機在每個月和每個日期間對地球等離子體層進行了觀測。共獲得1045幅圖像數據，累計觀測時間約230小時，為研究等離子體層結構和動力學以及電場分布提供了準確可靠的數據。
月球雷達:獲取與月壤厚度分布和月球地下地質結構有關的科學數據。
嫦娥三號巡視器攜帶的月球雷達是雙通道天線雷達。其第壹通道的工作中心頻率為60兆赫，厚度分辨率為米，探測深度超過100米；第二通道的工作中心頻率為500MHz，厚度分辨率小於30cm，探測深度大於30 m
截至2014月27日，月球雷達已開機8.3小時，有效探測距離約為109米。該雷達第壹通道回波數據為18513，第二通道回波數據為32381，為研究月壤厚度分布和月面下地質結構提供了依據。
紅外成像光譜儀:獲取光譜數據。
嫦娥三號巡視器搭載的紅外成像光譜儀對巡視區月面物質種類和礦物成分進行了探測，累計工作時間約8.8小時。到第二個月儀器正常工作任務結束時，對4個月壤天體進行了光譜探測，共獲得840幀可見近紅外（光譜範圍為450納米至950納米）光譜圖像數據和2240幀短波紅外（光譜範圍為900納米至2400納米）光譜。
粒子激發X射線光譜儀:獲取能譜數據。
嫦娥三號攜帶的粒子激發X射線譜儀（能量範圍0.5~20keV）已在月面工作約4小時。對兩個地點的月壤樣品進行了化學成分分析，共獲得了20，965，438+0幀能譜數據。為著陸點附近元素成分反演研究提供數據。