2010年10月1日18时59分57秒，“长征三号丙”运载火箭在我国西昌卫星发射中心点火发射，把嫦娥二号卫星成功送入太空。
2010年10月2日，嫦娥二号卫星成功实施首次地月转移轨道中途修正。由于此次轨道修正效果良好，原计划于10月3日、5日进行的轨道修正动作相继取消。
2010年10月6日，嫦娥二号卫星成功实施第一次近月制动，顺利进入周期约12小时的椭圆环月轨道，成为第二颗中国制造环月卫星。
2010年10月8日，嫦娥二号卫星成功实施第二次近月制动，进入周期约3.5小时的椭圆环月轨道。
2010年10月9日，嫦娥二号卫星成功实施第三次近月制动，进入轨道高度为100公里的圆形环月工作轨道。
2010年10月15日，嫦娥二号卫星上搭载的除CCD立体相机外的六种有效载荷已全部开机，在轨测试完成后将陆续开展科学探测。
2010年10月16日，嫦娥二号卫星与地面高速率通讯链路的测试全部结束，初步判断全部测试结果优于预期。
2010年10月26日，嫦娥二号卫星成功降轨，进入远地点100公里，近月点15公里的轨道，为在月球虹湾区拍摄图像做好了准备。
2010年10月29日，嫦娥二号卫星圆满完成对月球虹湾区成像任务。卫星通过实施升轨控制，近月点返回100公里。
2010年10月30日，对卫星实施轨道维持，使其返回100×100公里的环月工作轨道。
2010年11月2日，工程测控系统主任务系统成功切换至长期管理任务系统。
2010年11月8日，国防科工局公布嫦娥二号月面虹湾局部影像图。时任中共中央政治局常委、国务院总理温家宝出席揭幕仪式并为影像图揭幕。
2010年12月20日，中共中央、国务院、中央军委在人民大会堂召开庆祝探月工程嫦娥二号任务圆满成功大会。