LRO estará situado en una órbita elíptica a sólo 50 kilómetros de la superficie lunar. Su objetivo fundamental es identificar plataformas de aterrizaje que sean seguras para los astronautas que quizás viajen hasta allí en el futuro. Ha sido diseñado para permanecer al menos un año orbitando la Luna y recogiendo datos tanto del suelo como del entorno.

Sus instrumentos permitirán hacer mapas en tres dimensiones y en alta resolución, a la vez que se examinan la superficie con rayos ultravioleta. También recogerán datos sobre las radiaciones y cómo pueden afectar al tejido humano, imitado con un plástico especial.

La misión se centrará especialmente en el estudio de los polos lunares, relativamente inexplorados y extremadamente fríos ya que no reciben la luz directa del sol. El objetivo de la LRO -en la que tiene una importante participación la empresa espacial española GMV- es entrar en la órbita lunar y rastrear gracias a sus siete instrumentos zonas seguras y susceptibles de ser pisadas por los astronautas. Las imágenes que recopile aportarán datos sobre las zonas en la sombra y sobre si existe allí agua helada.

El LCROSS, en cambio, se servirá de la última etapa del cohete Atlas, encargado de lanzar las dos sondas para realizar dos impactos en la superficie de la Luna. El resultado del choque será analizado por LCROSS, que volará a través de la pluma de materiales resultante, antes de estrellarse cuatro minutos después. Después tratará de analizar los materiales eyectados por los impactos.