Przebieg misji Wprowadzenie sondy na orbitę kolizyjną z Księżycem Pierwszym etapem misji było wyniesienie sondy LCROSS na właściwą orbitę, tak, by dalszy ruch po niej doprowadził do uderzenia w Księżyc z możliwie dużą energią i w konsekwencji powstania odpowiednio dużej chmury pyłu przeznaczonego do analizy.
Sonda LCROSS została wyniesiona 18 czerwca 2009 r. jako ładunek dodatkowy rakiety nośnej Atlas V 401 wynoszącej również sondę Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Po 44 min 43 s od startu sonda LRO została odłączona od reszty ładunku, natomiast sonda LCROSS (element S-S/C połączony z górnym stopniem rakiety nośnej) znalazła się na orbicie o parametrach 133 km x 348 640 km i nachyleniu 28,0°.
23 czerwca o godz. 10:30 UTC sonda minęła Księżyc w odległości 3270 km i wykorzystując jego asystę grawitacyjną przeszła z orbity transferowej na inną eliptyczną orbitę wokółziemską, nazwaną LGALRO (Lunar Gravity Assist Lunar Return Orbit), o perygeum 357 000 km, apogeum 582 000 km, nachyleniu 45° i okresie około 37 dni. Przed finalizującym misję uderzeniem o powierzchnię Księżyca, sonda LCROSS przeszła trzykrotnie przez apogeum tej orbity w dniach 10 lipca, 16 sierpnia i 22 września 2009 r.