中国月球探测工程的第三阶段为“回”，全称叫“月面巡视勘察与采样返回”阶段，即发展新型月球巡视车，对着陆区进行月面巡视勘察。把小型采样返回舱、月表钻岩机、月表采样器和机器人操作臂等月球探测器发射至月球表面软着陆，然后通过月球车、机器人等进行现场探测，在月面巡视分析取样基础上，采集关键性样品运回地球进行研究，为载人登月和月球基地的选址提供有关数据。同时，对着陆地区进行考察，深化对地－月系统（尤其是对月球）的起源与演化的认识。

第三阶段的核心任务是实现月球样品采集并自动返回地球，进行深入的科学研究。主要工程技术目标是突破月球自动采样及月－地返回飞行技术，研制和发射月球采样返回器，采集月球样品并返回地球，健全月球探测航天工程系统，为未来的深空探测活动奠定技术基础。探测器系统将由着陆器和返回器两部分组成。在继续完成一定的着陆区探测外，采集月表的土壤和岩石，运送回地球。

月球自动采样返回探测器在月表着陆后，为实现取样返回，需完成月表钻孔、月壤收集、月壤封存及探测器返回等一系列复杂动作。整个过程涉及到控制、机械、轨道等方面的关键技术，主要包括月壤自动采样返回探测器总体设计技术、月壤取样器的设计、轨道器与着陆器的轨道控制技术等。

通过“绕”、“落”、“回”三个步骤的无人月球探测，中国的月球科学、比较行星学和空间天文学等基础研究领域将取得较大进展，提升航天技术水平并促进众多相关技术发展，为中国进一步开展深空探测及未来载人登月奠定基础。此后，中国还将进行载人登月和在月球建立永久性基地，以开发和利用月球的资源、能源和特殊环境，为进一步探测火星等做准备。

实施载人登月要研制出推力巨大的运载火箭、高性能的载人登月飞船，突破对接、着陆等一系列关键技术。这也是建立月球基地所必需的。

要建立月球基地首先要了解月球，以便为月球基地正确选址。根据月球基地的用途不同，其选址的标准和要求也会不同。月球基地的建设和开发的时间、规模、能力，与空间运输系统、基地设备、电源、生活设施和交通工具等有关。月球基地包括两个最基本也是最重要的设施，那就是可供航天员生活和工作的加压居住舱和生命保障系统。