嫦娥五号主要面对取样、上升、对接和高速再入等四个主要技术难题。同时,嫦娥五号的系统设计面临五大挑战。第一是“分离面多”。相较于神舟飞船和“嫦娥三号”均只有两个部分需要分离,即两个分离面,“嫦娥五号”有5个分离面,分别是轨道器和着陆器组合体、着陆器和上升器组合体、轨道器和返回器组合体、轨道器和支撑舱及轨道器与对接支架。这些分离面都必须“一次性成功”。第二是“模式复杂”。探测器需要经历多个飞行阶段,还需要完成月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接和样品转移、地球大气高速再入返回着陆等关键环节,并且设计约束多。其中,上升器与轨道器需要在距离地球38万千米的月球轨道上完成对接,在这里无法借助卫星导航的帮助,需要依靠探测器自身实现交会对接。第三是“细节严酷”。为获取月壤样品,“嫦娥五号”无人采样器将通过采样钻头深入月球内部和采样机械臂月球表面采样两种方法,再把样品转移到上升器,由上升器与轨道器对接,最终把样品转移到返回器,整个环节必须分毫不差。第四是“温度控制”。月球表面白天温度约零上180摄氏度,夜间零下150摄氏度,昼夜温差约330摄氏度。另外上升器发动机点火瞬间达到上千摄氏度,如何避免烧毁上升器和着陆器,对研制团队提出挑战。第五是“瘦身压力”。运载火箭的运载能力对嫦娥五号探测器的重量有严格的约束,一方面要尽可能对分系统进行“瘦身”,另一方面,因为备份产品较少,必须确保质量可靠。