嫦娥三号探测器肩负着我国航天器首次地外天体软着陆和月面巡视科学探测等重要使命。作为我国实施探月工程的重要力量之一，中国科学院牵头组织制定了嫦娥三号任务的科学目标，承担了嫦娥三号任务地面应用系统、有效载荷分系统和VLBI（甚长基线干涉测量技术）测轨分系统的研制建设和任务执行，还承担了其它多项协作配套产品的研制任务以及组织开展科学探测数据应用研究的重要任务。
中科院国家天文台承担的嫦娥三号任务地面应用系统不仅负责制定嫦娥三号任务科学探测计划和有效载荷运行计划，监视着陆器和巡视器有效载荷的运行状态，编制有效载荷控制指令和注入数据，完成有效载荷运行管理，还负责着陆器和巡视器的下行探测数据的地面接收、处理、解译和管理，连接着月与地。此外，地面应用系统还负责科学探测数据的存储与发布，组织科学家进行数据产品生产、科学应用与研究，还要开展相关的科学普及工作。
嫦娥三号探测器搭载了8台有效载荷，除降落相机外的其它7台有效载荷以及有效载荷电控箱、综合电测等都是由中科院负责全新研制，其中3台载荷属首次搭载。中科院空间中心作为有效载荷的总体单位不仅承担了有效载荷分系统的总体设计、技术状态管理和分系统联试等工作，还负责了着陆器和巡视器有效载荷电控箱以及地面综合电测的研制工作。
中科院上海天文台承担的VLBI测轨分系统，由中科院在国内的5个VLBI观测站在同一时刻观察同一个点，以获得延迟率和卫星的角位置，进而实现对卫星的精确定位。VLBI中心最大处理测站数为4个测站，上海佘山25米和天马65米选择一个测站的数据进行处理。VLBI中心作为嫦娥三号探测器轨道计算的备份中心，主要任务是VLBI干涉测量数据的处理，三向测量在轨精度验证和干涉测量验证。
中科院合肥物质科学研究院固体物理研究所研制的着陆器缓冲拉伸杆，是关系嫦娥三号着陆器能否安全软着陆的关键部件，是着陆器的缓冲吸能部件，主要任务是吸收着陆时的冲击功，确保探测器安全着陆。中科院上海技术物理研究所研制的激光三维成像敏感器和激光测距敏感器，也是决定嫦娥三号着陆器能否安全软着陆的关键工程载荷。
为推进嫦娥三号任务科学探测数据应用研究和产出，中科院近期组织全国优势力量，组建了“月球地形地貌与地质构造研究”、“月面化学特征及其演化规律研究”、“月球区域地球化学与构造动力学演化模型研究”、“地球等离子体层特征及其与太阳风相互作用研究”、“月基光学天文研究”五个科学应用核心团队。