在自主唤醒后的第二个月昼期间，嫦娥三号上的科学载荷开机工作，开展既定的科学探测。其中，嫦娥三号着陆器上的月基光学望远镜开展了观天探测，极紫外相机对地球等离子体层进行了观测。这两项均为世界上首次在月面开展的探测活动。此外，着陆器和月球车之间首次开展了UHF通信试验。
月球车在此期间进行了巡视，在多个探测点开展了相关探测工作，测月雷达、全景相机、粒子激发X射线谱仪、红外成像光谱仪均获得了大量科学探测数据。第二次月夜休眠前，受复杂月面环境的影响，月球车的机构控制出现异常，有关方面正在组织专家进行排查。
嫦娥三号探测器2013年12月14日成功落月，中国成为世界上第三个有能力独立自主实施月球软着陆的国家。月球上一昼夜相当于地球上的约28天。嫦娥三号在月球上日出而作、日落而息，截至目前已完成两个月昼的工作。
