Σκοπός της αποστολής GRAIL είναι να δημιουργήσει ένα χάρτη, ένα λεπτομερές ανάγλυφο, των μικροδιαφορών στο βαρυτικό πεδίο της Σελήνης, δέκα φορές ακριβέστερο από τα υπάρχοντα στοιχεία όσον αφορά την πλευρά που έχει στραμμένη προς τη Γη και 1.000 φορές ακριβέστερο όσον αφορά την αθέατη πλευρά. Θα είναι το ισοδύναμο μιας αξονικής τομογραφίας από την επιφάνεια, ως το κέντρο της Σελήνης, που θα αποκαλύψει τις υπόγειες δομές και έμμεσα και τη θερμική εξέλιξή της. Γι' αυτό και η αποστολή ονομάστηκε GRAIL, που είναι τα αρχικά στα αγγλικά της ονομασίας Μέτρηση Βαρύτητας και Εργαστήριο Εσωτερικού (σ.σ. της Σελήνης). Η ακριβής καταγραφή του βαρυτικού πεδίου του φεγγαριού θα επιτρέψει τη διεύρυνση της επιστημονικής γνώσης σχετικά με τον τρόπο σχηματισμού και γεωλογικής εξέλιξης των βραχωδών ουράνιων σωμάτων και ιδιαίτερα εκείνων του εσωτερικού ηλιακού συστήματος, δηλαδή της Γης, της Αφροδίτης, του Αρη και του Ερμή. Επιπλέον τα δεδομένα της αποστολής GRAIL θα είναι εξαιρετικό βοήθημα για την πλοήγηση όλων των επόμενων αποστολών στο φεγγάρι.
Τα δίδυμα GRAIL θα κάνουν τρεις έως τέσσερις μήνες για να φτάσουν στη Σελήνη, ακολουθώντας διαφορετικές τροχιές, που περνάνε κοντά από το σημείο Λαγκράντζ 1, δηλαδή το ένα από τα δύο σημεία στο Διάστημα, όπου η βαρυτική έλξη του Ηλιου εξισορροπείται από τη βαρυτική έλξη της Γης. Στη συνέχεια επί δύο μήνες θα αναπροσαρμόσουν την τροχιά τους μέχρι να βρεθούν σε σχεδόν κυκλική πολική τροχιά γύρω από τη Σελήνη, σε ύψος 50 χιλιομέτρων από την επιφάνειά της.
Η επιστημονική φάση λειτουργίας θα διαρκέσει τρεις μήνες και στη συνέχεια τα σκάφη GRAIL θα πυροδοτήσουν ανασχετικούς πυραύλους, για να καταπέσουν και να συντριβούν στην επιφάνεια του φυσικού δορυφόρου της Γης. Η αποστολή GRAIL είναι το σεληνιακό ανάλογο της αποστολής GRACE (από τα αρχικά στα αγγλικά της ονομασίας Μέτρηση Βαρύτητας και Κλιματολογικό Πείραμα), επίσης δίδυμων σκαφών που εκτοξεύτηκαν το 2002 και μελέτησαν λεπτομερώς τη γήινη βαρύτητα και συνεχίζουν να λειτουργούν ακόμα.
Η προσέγγισή του στηρίζεται εν μέρει στο μοντέλο των δυναμικών γραμμών των πεδίων, που διδάσκεται στους μαθητές συνήθως με παράδειγμα τη διάταξη που παίρνουν τα ρινίσματα σιδήρου πάνω σε χαρτί, όταν βρεθούν κάτω από την επίδραση μαγνητικού πεδίου. Κατ' αναλογία, οι βαρυτικές δυναμικές γραμμές πηγάζουν από κάθε σώμα που έχει μάζα. Επιπλέον, η βαρυτική επίπτωση στην υφή του χωροχρόνου από σώματα που περιστρέφονται μπορεί να παρασταθεί με γραμμές περιδίνησης, σαν αυτές που εμφανίζονται συχνά σε νερό που πέφτει στην τρύπα ενός νεροχύτη.
Ο Θορν μαζί με τον αστροφυσικό Ρόμπερτ Οουεν χρησιμοποίησαν αυτούς τους τρόπους αποτύπωσης της επίδρασης του βαρυτικού πεδίου στο χωροχρόνο, σε μια προσομοίωση σε υπολογιστή της σύγκρουσης δύο μαύρων τρυπών, αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά πώς οι βαρυτικές επιδράσεις μπορούν τελικά να εκτοξεύσουν τη μαύρη τρύπα μακριά από το σημείο της σύγκρουσης. Το φαινόμενο αυτό ήταν γνωστό εδώ και χρόνια, αλλά δεν υπήρχε καμία εξήγηση. Ο Θορν ελπίζει ότι η γραφική αναπαράσταση μέρους του βουνού αριθμητικών πληροφοριών από αστρονομικές παρατηρήσεις που πέτυχε, θα βοηθήσει και άλλους επιστήμονες να βγάλουν χρήσιμα συμπεράσματα γύρω από διαφορετικά προβλήματα. Οι πληροφορίες αυτές ως αριθμοί, λόγω του τεράστιου όγκου τους, είναι αδύνατο να ερμηνευτούν από το ανθρώπινο μυαλό. Ομως οι εικόνες που δημιουργούνται όταν οι αριθμοί αυτοί αποτυπωθούν με τον κατάλληλο τρόπο σε κάποιο εποπτικό μέσο, επιτρέπουν στον ιδιαίτερα δυνατό στην οπτική αντίληψη εγκέφαλο του ανθρώπου να φτάσει στην περίφημη στιγμή του «εύρηκα!».