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纵览国内外航天科学技术和航天发展历程，发射人造地球卫星、载人航天和深空探测是航天活动的三大领域。我国已经成功地发射了人造地球卫星和载人航天器，但我国的深空探测活动，还一直属于空白。适时开展以距离地球最近的月球探测为起点的深空探测是中国航天活动的必然选择。
2004年农历大年初二，时任国务院总理温家宝批准绕月探测工程立项，将我国第一个月球探测工程命名为“嫦娥一号”工程，绕月探测工程正式启动。
探月工程将成为我国航天事业继“两弹一星”、载人飞船之后的第三个里程碑，“婵娟从此不寂寞，广寒期盼故乡人”。
2004年，75岁高龄的孙家栋再次披挂上阵，成为嫦娥工程总设计师。他带领团队开始研制绕月卫星，拉开了中国人迈向深空的序幕。大多数人在这样的高龄都功成身退，他却冒着风险出任探月工程总设计师。他的同事和朋友们对他的这个决定感到略微有些惊讶，毕竟他已经是一个功成名就的老人了，何必要冒这样的风险呢？对于别人的不理解，孙家栋只有一句话：“国家需要，我就去做。”孙老并不服老，他觉得这辈子只要他还能动，他就要一直这么干下去。
2007年10月24号，“嫦娥一号”绕月探测卫星在西昌顺利发射升空。总设计师孙家栋和同事们一起紧张地工作，为“嫦娥一号”卫星保驾护航。在“嫦娥一号”顺利完成环绕月球的那一刻，航天飞行指挥控制中心里，大家全部从座位上站起来，欢呼雀跃、拥抱握手。而孙家栋却走到了一个僻静的角落，此时的他百感交集，默默转过身，擦去眼角涌出的泪水。
2007年12月27日，由科技日报社组织，部分院士、多家中央新闻单位参与评选的“2007年国内十大科技新闻”揭晓，中国人实现“嫦娥探月”梦想被评为中国最有影响的十大科技进步之一。孙家栋自豪地对新闻媒体宣称：“‘嫦娥一号’是完全的‘中国制造’！”
2008年10月12日，月球探测工程全月球影像图发布暨科学数据交接仪式在北京举行。“嫦娥一号”卫星经过一年的在轨运行和探测任务，获得了大量科学探测数据，科研人员利用星载CCD立体相机获取的探测数据，制作完成了首幅全月球影像图，这将标志着绕月探测工程圆满完成科学探测任务。评审专家认为，这幅月球全图图像数据完整、信息丰富、信噪比高、质量良好，其图像质量和影像制作方面均达到国际先进水平，这也是目前世界上最清晰、最完整的月球影像图，国家国防科工局决定将此月球影像图捐赠给国家博物馆永久收藏。
中国探月工程获得圆满成功后，有一段记者采访孙家栋时的对话，透过对话，人们对孙家栋的内心世界可能会有一些了解或感悟。
那次采访，记者完成了预先要孙家栋回答的对地球、月球、航天有关问题的提问后，突然话锋一转向孙家栋提出了一个新问题，记者问道：
孙总，假设我们实现了载人登月，航天员又可以把一件属于自己的东西带到月球上作为永久纪念，您将会带什么去？
当提完这一问题后，记者的脑子飞速地闪现了各种猜想：是一张有收藏价值的家人照片，是一张早年有意义的设计草图，是一枚令他自豪的大学时代的奖章，还是一片叶子、一粒种子？记者满怀期待地望着孙家栋，等待着这位科学家的即兴回答。
结果，孙家栋的答案却完全出乎了记者的预料，孙家栋说：
我是这样看的，假设将来真正实现了我们中国人登上月球那一天，每一克的重量都是非常宝贵的，我相信我不会带我自己所希望的东西，肯定要根据我们国家整个事业的要求，来带更重要的东西。你可以看一看我们的“嫦娥一号”卫星，它本身的重量是2 350公斤，里面装的推进剂就占到
1 200公斤。而要把这个飞行器送到月球，它的代价相当大。所以你可以想一想，载人登月每一克的价值是多少。我们绝对会精打细算，每一克都要用得非常有意义。你问我自己想带什么上去，这个我绝对不敢设想。
孙家栋多年来养成总是以低调来应对各方面对自己的宣传，不论是说话还是办事都像解决工程问题一样严谨认真，谈技术是这样，谈生活亦是如此，就连轻松地开玩笑似乎也保持着严格的逻辑。记者被孙家栋此时的回答所深深感动，作为航天大系统的工程总设计师，他的脑子里装的全部是工程总体，全部是国家的总体利益，根本就没有想过自己的得失，就连假设都“绝对不敢”，记者在此时真正体会到“无私”两个字的含义。
在孙家栋80岁生日之际，收到了97岁高龄的著名科学家钱学森亲笔签名写给他祝福生日快乐的贺信，信中写道：“您是在中国航天事业发展历程中成长起来的优秀科学家，也是中国航天事业的见证人。自第一颗人造地球卫星首战告捷起，到绕月探测工程的圆满成功，您几十年来为中国航天的发展做出了突出贡献，共和国不会忘记，人民不会忘记。我为您取得的成就感到骄傲。”此刻正在病中的钱老还祝孙家栋健康长寿，争取做个百岁的航天老人。读到钱老称他为您，令他感动万分。
2009年9月30日，孙家栋受时任国务院总理温家宝的邀请，出席在北京人民大会堂举行的庆祝中华人民共和国成立60周年盛大国庆招待会。10月1日上午，受中共中央的邀请，孙家栋作为“两弹一星”功勋奖章获得者与党和国家领导人一起登上天安门城楼，参加首都各界20万军民庆祝中华人民共和国成立60周年大会，在北京天安门城楼上观礼盛大阅兵仪式和群众游行活动。孙家栋在天安门城楼上看到一个个受阅方队在雄壮嘹亮的军歌声中威武向前、精良铠甲铁流滚滚、导弹武器威震四方、先进战鹰呼啸划过……孙家栋大学时的飞机梦、留学归来后的中国导弹刺天、如今应用卫星种类齐全遨游太空，在那个瞬间一一掠过他的脑海。这时，新华社记者在天安门城楼上采访了孙家栋，他动情地说：“预祝伟大祖国更加繁荣昌盛、取得更大成就，尽快实现全面建设小康社会的目标。”
2010年，胡锦涛主席亲自授予孙家栋“国家最高科学技术奖”，为他颁发证书。
2018年，孙家栋获评“改革先锋称号”，并获评“航天科技事业创新发展的重要推动者”。