嫦娥六号探测器于5月3日在中国文昌航天发射场发射升空并进入地月转移轨道。探测器经过轨道修正、近月制动，顺利进入环月轨道飞行。此后，探测器经历着陆器和上升器组合体、轨道器和返回器组合体的分离，在鹊桥二号中继星支持下，着陆器和上升器组合体实施环月降轨及动力下降，于6月2日精准着陆在月球背面南极-艾特肯盆地预选区域并开展采样工作。6月4日，上升器点火起飞、精准入轨，于6日完成与轨道器和返回器组合体之间的交会对接及样品转移，此后按计划与轨道器和返回器组合体分离并受控落月。此后，轨道器和返回器组合体经历了13天环月等待，此后在完成2次月地转移入射、1次轨道修正后，返回器于6月25日与轨道器分离并携带月背样品重返地球。

13时41分许，嫦娥六号返回器在距地面高度约120公里处，以接近第二宇宙速度（约为11.2千米/秒）高速在大西洋上空第一次进入地球大气层，实施初次气动减速。下降至预定高度后，返回器在印度洋上空向上跳出大气层，到达最高点后开始滑行下降。之后，返回器再次进入大气层，实施二次气动减速。在降至距地面约20公里高度时，返回器转入开伞姿态。约10公里高度时，返回器打开降落伞，完成最后减速并保持姿态稳定，随后准确在预定区域平稳着陆。负责搜索回收任务的发射场与回收系统技术人员，根据北京中心通报的落点位置信息，规划行动路径，开展返回器搜索，及时发现目标，确认返回器状态正常，有序开展回收工作。

13时20分许，北京航天飞行控制中心通过地面测控站向嫦娥六号轨道器和返回器组合体注入高精度导航参数。此后，轨道器与返回器在距南大西洋海平面高约5000公里处正常解锁分离，轨道器按计划完成轨道规避机动。

按计划，回收后的嫦娥六号返回器在完成必要的地面处理工作后，将空运至北京开舱，取出样品容器及搭载物。国家航天局将择机举行交接仪式，正式向地面应用系统移交月球样品，后续开展样品储存、分析和研究相关工作。

彩天堂2024年6月25日，嫦娥六号返回器准确着陆于内蒙古四子王旗预定区域，工作正常，标志着探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功，实现世界首次月球背面采样返回。

鹊桥二号中继星在圆满完成嫦娥六号任务后，将择机开展科学探测任务，其携带的极紫外相机、阵列中性原子成像仪和地月甚长基线干涉测量(VLBI)试验系统，将收集来自月球和深空的科学数据。