“嫦娥一号”不是笔直地飞向月球，而是经过4种不同的轨道飞行以之后飞近月球的。这4种不同的轨道是：调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道和环月工作轨道。
调相轨道
在环绕地球飞行的调相轨道阶段，“嫦娥一号”卫星通过4次变轨（1次远地点变轨，3次近地点变轨）使其达到进入地月转移轨道前的各项飞行参数要求。
2007年10月24日，“长三甲”运载火箭将“嫦娥一号”送入初始轨道后星箭分离，10月25日17时“嫦娥一号”利用自身的推进系统首先进行一次远地点变轨，将环绕地球的大椭圆轨道的近地点从205千米提高到约600千米。远地点仍为509300千米，轨道周期为16小时，然后按程序完成了太阳帆板展开和定向天线展开。10月26日17时“嫦娥一号”卫星实施第二次变轨。这是卫星的第一次近地点变轨，“嫦娥一号”卫星第二次变轨后，进入了24小时周期轨道。远地点高度由5万多千米提高到7万多千米。
10月29日和31日分别进行了第二次和第三次近地点变轨。第二次近地点变轨，卫星远地点高度由7万余千米提高到12万余千米，进入绕地飞行48小时周期轨道，第三次近地点变轨，卫星远地点高度由12万余千米提高到37万余千米。第三次近地点变轨后，“嫦娥一号”便进入地月转移轨道，正式踏上奔月征程。
地月转移轨道
地月转移轨道又称奔月轨道。经过调相轨道阶段的4次变轨后，“嫦娥一号”即进入飞向月球的114小时的地月转移轨道。
“嫦娥一号”进入地月转移轨道入口的时机以及运动状态，特别是位置和速度，包括速度的大小和方向非常重要，如果时机不对，无法和月球相会：如果速度过大，将无法进入月球引力作用的范围；如果速度过小，将无法摆脱地球引力场的束缚到达月球。因此，经过调相轨道运动之后，“嫦娥一号”必须达到事先经过仔细设计和审核的位置，并具备所要求的速度大小和方向，才能沿着地月转移轨道到达月球。为保证“嫦娥一号”按预定的轨道飞行，在飞行过程中，设计规定还要进行2～3次轨道修正。但由于运行轨道精度高，在“嫦娥一号”的实际飞行过程中一次修正也没用上。
月球捕获轨道
“嫦娥一号”进入半径为6万千米以内的月球引力影响区时，起主导作用的是月球引力，而不是地球引力。这时，飞行轨迹完全变化，由围绕地球的椭圆轨迹，变成围绕月球的双曲线轨道运动。11月5日，地面控制中心对“嫦娥一号”进行了3次近月点制动减速，最终“嫦娥一号”顺利完成了月球捕获。
环月工作轨道
“嫦娥一号”进入环月工作轨道后，从科学探测需要考虑，要尽可能地对全月面进行探测，特别是对月球南北两极的探测，因此，环月工作轨道选择极月轨道，即轨道相对月球赤道的倾角为90°。“嫦娥一号”的环月工作轨道面垂直于月球的赤道面，环月工作轨道高度约为200千米，运行周期约为127分钟，在这个轨道上，卫星对月球进行科学探测。