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嫦娥三号任务背负着三大科学使命，即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；地球等离子体层探测和月基光学天文观测。
嫦娥三号在国际上首次实现了月基近紫外巡天观测，填补了国际上GALEX卫星巡天在低银纬天区的部分空白，月基光学望远镜也是嫦娥三号上目前唯一仍在正常工作的科学仪器。
月基光学望远镜的另一最大亮点是变星研究上发现的一系列新的天文现象。如：发现一个罕见的处于双星快速物质交流演化过程中的天体，发现一批处于双星慢速物质交流演化过程中的样本，发现一个处于六星系统中的半相接型密近双星，发现密近双星普遍存在于多星系统的可能性等。
嫦娥三号首次发现地球等离子体层边界在磁层亚暴的影响下发生凸起。
我国科学家利用“玉兔”月球车上四台科学仪器的探测数据，在国际上首次揭示月球雨海区的火山演化历史。
“玉兔”月球车获突破性发现，证明了科学家几十年来思考的问题：月球有月幔层。 科学家一直猜测月球的月壳下有一层月幔，就像地球一样。但是，60年来的月球探测，包括美国的“阿波罗”探月任务，都未能提供证据证明这一点。虽然有线索，但都没有直接证据。 在2019年1月3日的首次登陆月球背面的任务中，“玉兔”在着陆点附近收集的地表样本中发现了橄榄石，这种绿色的结晶矿物像地球上的地幔一样，通常可在地下深处发现。 进一步分析表明，橄榄石并非出自发现地，而是源自附近72公里直径的陨石坑。 报道称，月球背面的陨石坑多于面对地球的正面，流星撞击很可能穿透月幔，将矿物抛射到地表。 人们普遍认为，月球曾经覆盖着熔岩。较轻的物质浮到表面，形成了月壳，而较重的物质下沉形成了月幔和月核。新的研究结果证实了这一理论。