2004年，已64岁的栾恩杰担任绕月探测工程总指挥，与被任命为绕月探测工程总设计师的中国科学院院士孙家栋一起再挑重担，同时绕月探测工程应用系统聘任了中国科学院院士欧阳自远为首席科学家。

    “嫦娥”探月工程是中国第一个深空探测工程。2004年1月中国探月工程被批复并正式启动后，在工程两总系统和近万名中国航天人的努力下，嫦娥一号探测器在探月工程启动3年后发射成功。它的轨道控制如同教科书一般精确，探月之旅也取得了丰硕的成果。

    在嫦娥一号取得成功之后，嫦娥二号经过改进之后再度出发，又取得了非凡的成果。此后，这个探测器又从月球出发，前往距离地球约150万千米的第二拉格朗日点（L2点）进行了探测，并向宇宙深处挺进。在探测器顺利完成任务后，“嫦娥”一期工程宣告成功。

    2014年11月6日，国际天文学联合会决定将国际永久编号为102536号的小行星命名为“栾恩杰星”。