嫦娥四号探测器，简称“四号星”，是嫦娥三号的备份星。它由着陆器与巡视器组成，巡视器命名为“玉兔二号”。作为世界首个在月球背面软着陆巡视探测的航天器，其主要任务是着陆月球表面，继续更深层次更加全面地科学探测月球地质、资源等方面的信息，完善月球的档案资料。
2020年6月，由中国宇航学会推荐，经过国际宇航联合会两轮投票表决，嫦娥四号任务团队优秀代表中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁，中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团有限公司科学技术委员会副主任于登云，嫦娥四号任务探测器系统总设计师、中国空间技术研究院研究员孙泽洲，获得国际宇航联合会2020年度最高奖——“世界航天奖”。这也是该国际组织成立70年来首次把这一奖项授予中国航天科学家。
嫦娥四号任务创造了多个世界第一：
第一次实现人类探测器月球背面着陆和巡视探测;
第一次利用运行在地-月拉格朗日L2点的中继通信卫星，实现月球背面与地球的连续可靠中继通信;
第一次在月球背面开展月球科学探测和低频射电天文观测。填补了世界月球科学探测领域多项空白。
目前，嫦娥四号已经高效工作十八个月昼，月面生存超过500天，成为世界上在月球表面工作时间最长的人类探测器。
嫦娥四号任务科学成果丰硕：
“玉兔二号”月球车累计行驶里程447.68米，目前距着陆器约292米，期间实施了岩石探测、车辙探测、撞击坑探测等科学探测试验。
利用测月雷达就位探测数据，首次揭示了月球背面着陆区域地下40米深度内的地质分层结构，阐述了其物质组分与演化机制。
利用红外成像光谱仪的就位光谱探测数据，成功揭示了月球背面的物质组成，验证了月幔富含橄榄石，加深了人类对月球形成与演化的认识。
利用中性原子探测仪对月表环境能量中性原子的探测数据，得到了能量中性粒子在月球表面通量能谱，证实了能量中性粒子的能量与入射太阳风的速度有很强的相关性。
红外成像光谱仪由上海技物所研制生产。机载可见光/红外成像光谱仪，数据可提供20 m的空间分辨率和224个谱段，覆盖光谱范围是0.2~2.4 μm的波谱范围，谱分辨率为10 nm。可以看到月面0.1米分辨率的月表矿物特征，具备在轨定标及防尘功能，能适应-20～55摄氏度工作以及-50～70摄氏度存储的温度环境，重量小于6公斤，是一台高性能、轻小型、高集成的仪器。
红外波段对目标的光谱成分进行有效探测。可识别已获取光谱与何种物质匹配。红外成像光谱仪采用新型分光技术射频驱动声光可调滤光技术，以及新型电机超声电机，两者均由嫦娥三号红外成像光谱仪实现在轨首次应用。
红外成像光谱仪由可见近红外的成像光谱仪、短波红外光谱仪及定标防尘组件高度集成而成。其中，定标防尘组件对于红外成像光谱仪就如同相机的镜头盖，在光谱仪不工作时，它自动关闭，在对系统隔热保温的同时，保护光学系统不被月尘污染。需要月面探测时，定标防尘板全部打开，获取月表的光谱图谱科学数据;而定标模式则是将定标防尘板开启至水平位置，以太阳作为定标源，监控仪器状态。
测月雷达由发射机、天线、电控箱(含接收机、控制器)等几部分组成，包含两个通道，两通道的天线均为收发分置形式。第 一通道发射天线和接收天线安装于月球车后部的顶板下侧，第二通道天线安装于月球车底部的底板下侧。月球表面有一层厚厚的土壤，厚度大致在5米至10米范围内。测月雷达第二通道的设计主要用于土壤层厚度的高分辨率探测。
月球表面干燥，有利于电磁波的穿透，测月雷达可由此获取巡视器行走路线下方区域月壤厚度及其分布、漂石和熔岩管等的分布以及月球次表层岩石地质结构等信息。测月雷达以收发天线共偏移点的方式工作，通过发射天线往月面下发射脉冲电磁波信号，电磁波信号在月壤或月岩中遇到分层等介电常数不连续的目标时会发生后向反射和散射，形成回波，被接收天线接收。
只需对接收到的回波信号进行处理，就可获得一幅地下目标的剖面图像。获得的连续剖面图像的纵坐标为电磁波的双程传播时间，横坐标为巡视器移动的距离。电磁波的传播速度确定后，探测深度就可由双程传播时间计算出来。
中性原子探测仪是嫦娥四号上搭载的重要科学仪器之一，由中国、瑞典合作研发。主要功能探知太阳风如何作用于月球,用来测量太阳风和月表相互作用之后产生的中性原子。太阳持续不断的向四面八方“吹”出超声速带电粒子流，被称为太阳风。由于月球没有磁场、大气层的保护，太阳风能够直接“吹”到月球表面上，太阳风中的质子和离子作用到月壤表面会反射和溅射出能量中性原子和其他粒子。
同时，光照会导致月表充正电荷，等离子体会导致月表充负电，在月面阴阳交界处静电力会抛起月尘，所有这些抛出、溅射和反射出的物质组成了月球的逃逸层。对于解决太阳风与月表相互作用机制、月表逃逸层的形成和维持机制等关键科学问题有着重要的意义。中性原子探测仪通过探测月球表面的中性原子和离子，中性原子探测仪将在那里监测太阳风和月球表面之间的相互作用。