Η αποστολή προγραμματίζεται να ξεκινήσει μέσα στο 2002. Ο LunarSAT πρόκειται να εκτοξευτεί ως δευτερεύον φορτίο ενός πυραύλου Ariane 5 (ASAP) και αρχικά θα τοποθετηθεί σε τροχιά γεωσύγχρονης μετάβασης γύρω από τη Γη. Στην κατάλληλη θέση και χρονική στιγμή, δύο από τις τέσσερις βασικές μηχανές του LunarSAT καθώς και δύο μικροί προωθητήρες του, θα πυροδοτηθούν ώστε να στείλουν το δορυφόρο στην κοντά στην περιοχή βαρυτικής ισορροπίας μεταξύ Γης και Ηλίου (σημείο L1) - (Οριακή Περιοχή Χαλαρής Ισορροπίας Γης-Ηλίου / Sun-Earth Weak Stability Boundary Area), περίπου 1,5 εκατομμύριο χιλιόμετρα μακριά από τη Γη.

Στην περιοχή αυτή, η έλξη της Γης συνεχίζει να υπερισχύει, ωστόσο οι βαρυτικές διαταραχές από τον Ήλιο είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με τις βαρυτικές δυνάμεις της Γης. Οι επιδράσεις αυτές, σε συνδυασμό με μια μικρή πυροδότηση των βασικών κινητήρων του δορυφόρου, έχουν προβλεφθεί να μεταβάλλουν την τροχιά του LunarSAT με τέτοιο τρόπο ώστε να τον κατευθύνουν προς τη Σελήνη. Έτσι, επιτυγχάνεται σημαντική οικονομία στην ποσότητα καυσίμων, τα οποία θα είναι απαραίτητα για περισσότερες κρίσιμες διαδικασίες της αποστολής που θα ακολουθήσουν. Αυτή η μέθοδος συνάντησης με τη Σελήνη, που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για πρώτη φορά από το LunarSAT, ονομάζεται Τροχιά Μετάβασης Belburno ή Weak Stability Boundary Transfer (WSB).

Το LunarSAT πρόκειται να συναντήσει τη Σελήνη πάνω από το νότιο πόλο της, όπου θα πυροδοτήσει τους κινητήρες του για να εισέλθει σε πολική ελλειπτική τροχιά γύρω από αυτή, με περικύνθιο 100 χλμ. πάνω από το Νότιο Πόλο και αποκύνθιο περίπου 2300 χλμ. Μέσα σε διάστημα μερικών μηνών πρόκειται να εκτελέσει μια σειρά παρατηρήσεων του σεληνιακού διαστημικού περιβάλλοντος καθώς και της σεληνιακής επιφάνειας, με έμφαση στο Νότιο Πόλο.

Το τέλος της αποστολής θα είναι παρόμοιο με αυτό της αποστολής του Lunar Prospector. Το LunarSAT πρόκειται να εκτελέσει ελεγχόμενη πτώση σε έναν από τους κρατήρες του Νότιου Πόλου όπου, σύμφωνα με τα δεδομένα που θα έχουν αναλυθεί μέχρι τότε, θα είναι υποψήφιος να συγκεντρώνει στις σκιερές περιοχές του μεγάλες ποσότητες πάγου. Με την ελπίδα πως ο LunarSAT με την << αυτοκτονία >> του θα σηκώσει σημαντικές ποσότητες σκόνης οι οποίες θα περιέχουν μέσα τους - εκτός των άλλων - τα δομικά στοιχεία του νερού, δεκάδες τηλεσκόπια στη Γη θα παρατηρήσουν εκείνη τη μέρα τη Σελήνη με στόχο να τα εντοπίσουν.