Миссия LCROSS сводилась к следующему: сначала верхняя ступень ракеты-носителя зонда Centaur ударилась о поверхность Луны в районе кратера Кебеус (Cabeus) недалеко от Южного полюса на скорости около 2,5 километра в секунду. В результате удара из кратера была выброшена находившаяся в жерле пыль. Высота столба пыли составила девять километров.

Затем состав этой пыли различными методами изучил сам зонд, падающий на поверхность Луны (он столкнулся с земным спутником на три минуты позднее) и другие космические аппараты, находившиеся на орбите.

Присутствие молекул воды доказывается данными инфракрасной спектрометрии (в этом спектре ученые обнаружили следы "целых" молекул) и ультрафиолетовой спектрометрии (в этом спектре "светятся" гидроксил-анионы, которые получаются в результате распада молекул воды). Как отмечается на сайте NASA, данные, полученные зондом, требуют дальнейшего изучения, однако уже сейчас можно с уверенностью говорить, что вода на дне кратера Кебеус есть. Причем в значительных количествах.

Падение зонда транслировалось Американским космическим агентством в прямом эфире. Ожидаемого шоу, однако, не получилось - сами удары выглядели достаточно блекло. И миссию поспешили объявить неудачной, связав это с ошибками в расчетах. Специалисты, работавшие над миссией, заявили, что количество поднятого ударом материала оказалось переоценено. Кроме этого ступень Atlas "разбрасывала" материал под неправильным углом - предполагалось, что он составит 45 градусов, однако в действительности пыль разлеталась под углом около 30 градусов.

Затем, после недельного анализа данных, ученые решили, что несмотря на несоответствие полученных результатов ожидаемым, миссия может считаться успешной.