嫦娥三号探测器共搭载8台尖端科学载荷，用以完成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、地月空间和月表环境探测与月基光学天文观测这叁项科学任务。着陆器将搭载地形地貌相机、降落相机、月基光学望远镜、极紫外相机，月球车将搭载全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪。
　　
　　月基光学望远镜，是国际上首次在月面开展天文研究的新领域，有望取得创新性研究结果。月球是科学家们梦寐以求的天文观测场所，可以完全避开大气影响，获得极高精度的观测数据。同时，月球大约28天(地球日)才自转一周，可对一个目标开展长达300多小时的持续跟踪。
　　
　　极紫外相机，则将首次实现国际上在月面对地球等离子体层进行极紫外成像。在月面可以从整体上探测太阳活动、地磁扰动对地球空间等离子体层的影响，同时具有多天连续观测的有利条件，能极大提高中国空间环境监测和预报能力。
　　
　　专家形象的比喻，月基光学望远镜是站在月球看太空，极紫外相机则是站在月球看地球。月球车上搭载的测月雷达，则是另外一种科学探测，它集合其他载荷探测成功，可在国际上首次建立月球集形貌、成分、结构于一体的综合性观测剖面，建立起月球区域综合演化动力学模型。