嫦娥六号任务飞行全过程约53天，由11个飞行阶段组成：

发射入轨段和地月转移段

5月3日17时27分19秒，嫦娥六号由长征五号遥八火箭发射。

器箭分离后嫦娥六号沿近地点高度约200千米、远地点高度约38万千米的地月转移轨道飞行约5天，期间进行了中途修正。

近月制动段

5月8日10时12分，在离月面高度200千米的近月点附近，嫦娥六号实施了第一次近月制动减速，进入轨道周期12小时的环月椭圆轨道开始环月飞行。

在这一阶段，它共进行了3次“刹车”，比嫦娥五号多了一次，这样可在下降前的20多天里不断调整轨道参数，高精度瞄准着陆点，等待降落最佳时机。

5月21日，释放巴基斯坦立方星。

环月飞行段

6月1日，嫦娥六号上的火工装置起爆，在环月圆轨道上完成了着陆-上升组合体、轨道-返回组合体两两分离。分离后，轨道-返回组合体继续环月飞行，等待上升器进行交会对接；着陆-上升组合体则通过实施两次降轨变轨，进入到近月点约15千米、远月点约200千米的椭圆轨道。

着陆下降段

6月2日6时23分，着陆-上升组合体在鹊桥二号中继星支持下成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地预选着陆区。

在动力下降前，着陆-上升组合体先与鹊桥二号建立通信链路，然后经过主减速段、快速调整段、接近段、悬停段、避障段、缓冲下降段和着陆缓冲段7个阶段，用时约15分钟，最终在月面预定区域软着陆。

月面工作段

着陆-上升组合体着陆后，先后采用钻取和表取两种采样方式对月壤取样。

首先进行持续3小时的世界首次月球背面样品钻取，获取了月背不同深度的月壤样品，于6月2日12时40分完成。

然后对月表月壤取样（即表取），主要采样目标是月球表面的风化层样品。操作进行了约20个小时，采集的样品转移至位于上升器顶部的样品容器内。6月3日清晨，完成世界首次月球背面样品表取及样品封装。

之后，国旗展开，上升器完成起飞准备。

与此同时，国内载荷、国际载荷开展就位探测；在月球轨道运行的轨道-返回组合体通过实施4次调相机动，准备迎接上升器与之交会对接。

月面上升段

6月4日7时38分，携带月球样品的上升器以着陆器为平台，通过3000牛主发动机点火，在月面起飞加速至月球逃逸速度（约2.4千米/秒）。点火时产生的上千摄氏度高温使着陆器寿命终止。

上升器月面完美起飞后，在鹊桥二号中继星辅助下，经历了垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段，顺利进入上升目标轨道。

交会对接与样品转移段

6月6日14时48分，上升器与轨道-返回组合体采用了“握手+抱紧”的方式，完成月球轨道交会对接。这是本世纪第2次月轨交会对接。

完成交会对接后，上升器于15时24分将月球样品容器安全转移至返回器中，完成月壤样品转交。此后，完成使命的上升器及对接舱段被轨道-返回组合体择机分离。

环月等待段和月地转移段

轨道-返回组合体在环月轨道停留约14天，等待月地转移窗口。6月20日，通过轨道器上的3000牛主发动机实施两次月地转移入射机动进入月地转移轨道。

轨道-返回组合体在月地转移轨道飞行5天后，于6月25日抵达地球附近，期间进行了中途修正。

再入回收段

当轨道-返回组合体飞行到达距地球约5000千米高度处，返回器与轨道器分离，并进入高速再入返回跟踪测量链跟踪范围。

6月25日13时41分许，在距地表120千米高度时，返回器以接近第二宇宙速度（约为11.2千米/秒）用半弹道跳跃式再入大气层，最终通过伞降辅助降落着陆于内蒙古四子王旗着陆场，历时53天的地月往返之旅完成。