A 496 millió dolláros összköltségű küldetés keretében az űrszondákat szeptember 10-én indították a floridai Cape Canaveral légibázisról, s majd négy hónapos, "kacskaringós" utazás után érnek a "célállomáshoz", ugyanis áthaladtak a Nap-Föld rendszer stabil gravitációs helyén, az úgynevezett Lagrange-ponton. Ezáltal csökkenthették az üzemanyag-szükségleteket, vagyis a küldetés költségeit. 

A Grail-A december 31-én érkezik a Holdhoz, majd beindítja hajtűművét, hogy csökkentse a sebességét, és pályára állhasson a Hold körül, testvére, a Grail-B pedig egy nappal később érkezik. 

A következő három hónap során az űrszondák 56 kilométerre a Hold felszíne fölött, poláris pályán keringenek, mintegy "kergetőzve" egymással. Az átlagos távolság 200 kilométer lesz az ikrek között, ám ez változik a regionális gravitációs eltérések függvényében, amelyek hol lelassítják, hol felgyorsítják az űrszondákat. Ezeket a parányi eltéréseket az űrszondák fedélzetén működő speciális rádióadók segítségével rögzítik, feltérképezve az égitest tömegeloszlását. 

Az ily módon nyert adatok segítségével részletesen meghatározhatják a Hold gravitációs mezejét. Ezek az információk sok mindent elárulnak a Hold belső szerkezetéről, és arról, hogyan alakult ki, miként fejlődött égi kísérőnk, és miért "rücskösebb" az égitest "hátoldala", mint a Föld felé forduló "arca".