Kilka minut po ostatnim odpaleniu silnika nastąpił manewr reorientacji drugiego stopnia. Po wykonaniu manewru nastąpiła separacja pierwszego satelity (GRAIL-A). Nieco ponad siedem minut później nastąpił podobny manewr, by ustalić wymaganą orientację drugiego satelity. Gdy statek osiągnął odpowiednią orientację, GRAIL-B oddzielił się od rakiety. Gdy oba satelity znalazły się w zasięgu światła słonecznego, nastąpiło rozwinięcie paneli słonecznych. Cała operacja trwała 2 minuty i odbyła się w tym samym czasie dla obu sond.
Kolejna faza misji to lot transferowy do Księżyca (TLC – Trans-Lunar Cruise Phase), podczas którego sondy przeleciały w pobliżu punktu L1 układu Ziemia - Słońce. Faza ta trwała 3,5 miesiąca. W jej czasie nastąpiła seria kontroli i kalibracji systemów statku oraz korekty ścieżki lotu satelitów. Podczas drugiego i trzeciego manewru korekcyjnego zmodyfikowano czas przybycia satelitów do Księżyca, w ten sposób, by doleciały one do Srebrnego Globu oddzielnie, w odstępie 1 dnia.