2004年1月23日，我国绕月探测工程获批立项并全面启动研制任务。20载负重拼搏，中国航天人在探月工程“三步走”战略的指引下，推动嫦娥一号、嫦娥二号先后成功奔月，嫦娥三号着陆虹湾，嫦娥四号降落月背，嫦娥五号采样返回，我国探月工程“绕、落、回”三步走规划目标顺利完成。
嫦娥一号38万公里外传回我国第一幅月面图
嫦娥一号卫星发射升空后，在距离地球38万公里以外的遥远太空，西安分院为卫星研制的数传子系统及测控全向天线、信标天线使嫦娥一号卫星顺利向地面传回数据，报告卫星的各种飞行参数，传回了嫦娥一号卫星拍摄的我国第一张月面图。
在数传子系统的研制过程中，为了实现远距离的数据传输，达到符合总体近乎苛刻的指标要求，项目组成员决定采用微波直接调制技术来实现。研制队伍所有人持续集同攻关，围绕着最优的设计方案，反复讨论设计流程，对每个环节的设计指标，一点点完善，反复进行仿真试验，最终形成了符合总体要求、完全满足指标的数传子系统设计方案。
在测控全向天线和信标天线的研制中，通过反复的试验完善，总结经验，终于确定了一个继承中带有创新的方案。最终，研制队伍按照这个方案成功研制了测控全向天线和信标天线并成功应用于嫦娥一号卫星。
2007年10月24日，我国自主研制、发射的第一个月球探测器——嫦娥一号，经历调相轨道、地月转移轨道、月球捕获轨道3个阶段后，总飞行距离约180万公里，最终成功进入环月工作轨道。11月26日，国家航天局正式公布了嫦娥一号卫星传回的第一幅月面图像，这标志着中国首次月球探测工程任务取得圆满成功。
2009年3月1日，嫦娥一号卫星在地面操作人员的精确控制下，成功实施“受控撞月”，准确撞击在月球正面丰富海的平坦区域。
嫦娥二号飞向更远的深空
在嫦娥二号卫星中，西安分院承担研制了X频段测控系统、数传子系统、测控全向天线及信标天线。
在嫦娥二号卫星上，西安分院研制的数传子系统继续发挥功效。当卫星上的相机拍摄到月球表面的图像之后，由西安分院研制的嫦娥二号卫星数传子系统将定时地传回月球表面的图片等数据资料，可以使人们更好地研究月球表面的情况。西安分院为嫦娥二号卫星研制的测控全向天线及信标天线在和地面发射和接收系统以及数传子系统工作的同时完成了数据的发射、接收和传输。
2010年10月1日，嫦娥二号成功发射。嫦娥二号在半年设计寿命周期全面实现了6大工程目标和4项科学探测任务，获取了一批重要科学数据。同时，嫦娥二号也是我国成功研制的第一个行星际探测器，使中国成为世界上第三个造访拉格朗日点、第四个开展小行星探测的国家。
嫦娥三号探测器中国首次月面软着陆
在嫦娥三号任务中，西安分院为嫦娥三号探测器研制了测距测速敏感器、测控天线、数传系统。与嫦娥一号、二号相比，嫦娥三号探测器技术跨度大、设计约束多、结构也更为复杂。
2008年4月，西安分院先期启动嫦娥三号测距测速敏感器项目原理样机研制的技术攻关。嫦娥三号测速测距敏感器在关键的落月过程中为着陆器实时地提供距离月面的速度及距离信息。作用和地位显而易见，一旦出现问题，将很可能引起灾难性后果，甚至导致落月计划失败。
研制团队按照产品保证要求，做好机电热设计，对整个产品进行全面、详细的设计，同时对测距测速敏感器的频率综合器做了局部的完善。此后，整个嫦娥三号测距测速敏感器的设计基本定型和成熟。
由于在嫦娥三号落月的过程中，测距测速敏感器要在振动和羽流环境下工作，所以在产品转初样研制阶段要通过校飞试验、力学振动试验、羽流试验等多个重要试验来验证产品工作的状态和性能。通过一系列综合的系统试验，研制团队充分验证了测距测速敏感器在多种环境下的工作状态。
2013年12月14日晚，嫦娥三号成功实施月面软着陆。嫦娥三号成功降落在月球虹湾地区，我国首次实现地外天体软着陆和巡视探测，成为世界上第三个成功实现地外天体软着陆和巡视勘察的国家。
嫦娥四号人类首次月背软着陆
2019年1月11日，嫦娥四号任务圆满成功，嫦娥四号着陆器与玉兔二号巡视器工作正常，在“鹊桥”中继星的支持下顺利完成互拍，地面接收图像清晰完好。西安分院为嫦娥四号探测器提供的测控天线、数传子系统、测距测速敏感器，为中继星提供的中继通信分系统、天线分系统及测控分系统等重要产品设备是嫦娥四号任务圆满成功的有力保障。
为了安全落月，西安分院设计师们在嫦娥三号探测器的测距测速敏感器研制经验的基础上，进行了升级和优化。测距测速敏感器通过把握速度和距离的信息，保证了嫦娥四号轻盈落月。
嫦娥四号探测器数传子系统的低速传输是此次任务中用的最多的传输速率。低速率传输不仅要慢，还要保持平衡是确保任务圆满完成的重要一环。为了实现低速率传输，西安分院的设计师们经过了数次的方案论证、试验，最终才成功地为嫦娥四号探测器特制了一套数传子系统。
西安分院为“鹊桥”中继星研制的中继通信分系统在地、月、星之间建立了数据链路，这些数据链路可以实现“鹊桥”与嫦娥四号探测器的双向通信以及“鹊桥”与地面的双向通信。同时，在“鹊桥”中继星上西安分院研制的大口径伞天线在当时国际上第一次成功应用于深空探测。
2019年1月，嫦娥四号任务取得圆满成功，实现人类航天器首次在月球背面软着陆和巡视勘察，率先在月球背面印上中国足迹。
嫦娥五号中国人首次月球采样返回
2020年11月24日，嫦娥五号探测器正式出征。西安分院为嫦娥五号探测器研制了测距测速敏感器、测控天线、数传子系统以及交会对接微波雷达，为探测器实现“绕、落、回”全程护航。
在嫦娥五号的地月转移、变轨环月的绕月阶段，动力下降、上升器的月面工作阶段以及交会对接阶段几乎所有的工作模式中都需要使用西安分院研制的测控天线与地球进行测控通信。
在嫦娥五号探测器抵达月球轨道后，西安分院为嫦娥五号研制的微波测距测速敏感器可以测量并发送着陆器与月球表面的距离以及着陆器下降的速度，以便于着陆器来判断降落的落点和速度。
西安分院为嫦娥五号探测器研制的数传子系统将嫦娥五号探测器拍摄的照片及时传回地面。除此之外，西安分院研制的交会对接微波雷达为嫦娥五号探测器在距离地球38万公里外“穿针引线”式的交会对接保驾护航。交会对接微波雷达可以测量上升器和轨道器之间的相对距离、方位、俯仰角度及其变化，除了为两器的交会对接提供实时的信息之外，还可实现两器之间的通信。
2020年12月，嫦娥五号携带月壤圆满回归，实现了中国航天史乃至世界航天史上的多个“首次”，收获了研究月球乃至太阳系行星的宝贵科学样品，奏出了中国探月工程“绕、落、回”三步走的终章强音。
嫦娥五号是我国首个无人月球采样返回任务，是当时我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，一举突破月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、跳跃式再入返回等关键技术，经过环环相扣的飞行过程，带回1731克月球样品，成为世界单次采样量最大的无人月球采样任务。嫦娥五号任务是我国实现高水平科技自立自强的生动实践，为后续的无人月球科研站、载人登月等奠定了基础，是我国航天发展的又一个重要里程碑。据悉，我国将于2024年上半年发射嫦娥六号，执行月球背面采样返回任务。