自10月26日17时33分至29日17时，嫦娥一号卫星在周期为24小时的停泊轨道连续飞行3天。北京时间10月29日17时49分，嫦娥一号卫星飞行至周期为24小时轨道的近地点，北京航天飞行控制中心对嫦娥一号卫星下达指令，卫星上的发动机再次点火，开始实施第二次近地点变轨。18时01分，太平洋上的远望三号航天测量船传来消息，嫦娥一号卫星顺利完成了第二次近地点加速，卫星进入了近地点高度593千米、远地点高度119800千米的大椭圆轨道。卫星绕地球一周的飞行时间由24小时变为48小时，第二次近地点变轨成功。
10月30日17时，嫦娥一号卫星飞行至48小时轨道远地点，此时距离地球约119800千米，突破了此前由“双星计划”探测器保持的7万多千米距离的纪录，开创了我国最远航天测控的新纪录。
10月31日17时15分，地面控制人员发出卫星遥控指令，嫦娥一号卫星上的推力为490牛顿的发动机再次点火，卫星开始加速飞行，784秒后发动机正常关机，卫星的飞行速度由星箭分离时的10.33千米\/秒提高到10.58千米\/秒。这次加速的目的是将卫星送入近地点600多千米、远地点40多万千米的奔向月球的轨道。
根据变轨后的地面测量数据，嫦娥一号卫星按预定的时间、位置、速度成功进入了近地点614千米、远地点41万千米的地月转移轨道。“嫦娥”在恋恋不舍地绕地球“三回首”（一次远地点变轨和两次近地点变轨）之后，终于踏上了奔月的漫漫旅途。从10月31日开始，嫦娥一号将逐步脱离地球的引力，奔向月球。嫦娥一号与欧阳自远的距离越来越远，他的心却时刻将她牵挂，欧阳自远从心底祝福她一路走好。
按照最初的设计，嫦娥一号卫星在奔向月球的旅途中将进行三次轨道修正，让她沿着正确的道路奔向月球。11月1日，鉴于卫星的飞行路线非常准确，负责嫦娥一号卫星飞行控制的专家组经过集体讨论，决定取消原定于当天实施的轨道中途修正计划。
11月2日上午10时25分，嫦娥一号卫星上的两台小型推力器（推力为10牛顿）点火，对卫星的奔月轨道进行轻微地修正，目的是消除由于发射窗口延后、卫星入轨偏差、第一次远地点变轨和三次近地点变轨实施过程中的轨道误差。根据轨道修正后的地面测量数据，第一次中途修正实现了预期目的，鉴于这次轨道调整非常成功，飞行控制专家组决定再次取消原计划11月4日上午11时进行的轨道中途修正计划。
11月5日上午11时，嫦娥一号卫星已经飞行到距离地球39万千米的位置。11时15分，地面控制人员发出遥控指令，卫星上推力为490牛顿的发动机点火，与前几次发动机点火都是为了使卫星飞行加速不同的是，这次发动机推力的方向与卫星的飞行方向正好相反，点火的目的是为了使卫星飞行减速，被月球捕获。11时25分，卫星距离月球表面最近的距离只有211千米。11时41分，嫦娥一号卫星被月球“成功捕获”，恢复巡航姿态，进入近月点为211千米，远月点为8500千米的绕月轨道，绕月球运行一周的时间为12小时。这一刻，嫦娥一号卫星终于成为一颗真正的绕月卫星，中国人第一次拥有了月球卫星；这一刻，嫦娥一号的全体研制人员为之奋斗了四年多；这一刻，指挥大厅爆发出一阵热烈的掌声，闪光灯和摄像机镜头对准了参与探月工程的科技人员。
当指挥大厅里宣布嫦娥一号卫星被月球成功捕获，终于成为一颗真正的绕月卫星时，欧阳自远热泪流淌。想起人类的探月历史上有太多的月球探测器没有被月球捕获而失败，我们终于成功跨越了这个难关。他看到总设计师孙家栋热泪盈眶，跑过去相互紧紧拥抱，两位老人抱头痛哭！这是冲破千难万险成功的眼泪！这是喜悦自豪的眼泪！这是深情感恩的眼泪！当中央电视台的摄像机对准欧阳自远，希望他谈谈现在的心情，欧阳自远激动的眼泪流淌着，用他沙哑的嗓子自言自语地说：“绕起来了！绕起来了！绕起来了！”这是欧阳自远的真情，也是“嫦娥一号”的心情，好像是嫦娥一号在向世人宣告她“绕起来了！”
当天，胡锦涛总书记和温家宝总理给全体参与探月工程的科技人员发来了贺电。胡锦涛总书记在贺电中写道：“欣闻‘嫦娥一号’第一次近月制动取得圆满成功，卫星已进入环月轨道，我谨向参与‘嫦娥一号’研制、指挥、测控和保障的全体同志表示热烈祝贺和亲切慰问！望再接再厉，夺取绕月探测的新胜利。”温家宝总理在贺电中写道：“欣悉‘嫦娥一号’绕月探测卫星成功实现近月制动，进入绕月轨道，我谨向参与工程的全体同志表示热烈的祝贺和亲切的慰问！希望同志们继续按照高标准、高质量、高效率的要求，一丝不苟，精益求精，大力协同，扎实工作，确保绕月探测工程取得圆满成功！”
11月7日11时21分，嫦娥一号卫星在环绕月球的12小时轨道上运行两圈，在第三圈开始的时候，卫星上推力为490牛顿