利用鐳射直接測定月球距離的技術。它的基本原理是:通過望遠鏡從地面測站向月球發射一束脈衝鐳射，然後接收從月球表面反射回來的鐳射回波，通過測站上的計數器測定鐳射往返的時間間隔，便可推算出月球距離。月球鐳射測距的原理與經典的天體方位測量原理完全不同。大氣對測距的影響很小，可以根據測站的氣象資料加以修正。在地平高度10°以上，大氣改正的誤差小於1釐米，因此大氣折射不再是觀測精度的嚴重障礙。但由於回波很弱，觀測要求有很好的透明度。
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“阿波羅”11號後向反射器裝置
月球激光測距是在1962～1963年激光技術問世後不久著手試驗的。最初隻能接收月球天然表面漫反射的激光回波，由於回波波形無法縮窄，加以地面儀器設備不夠完善，測距精度很低。1969年7月，美國進行第一次載人登月飛行，宇航員在月面上安放瞭第一個後向反射器裝置。它的大小為46厘米見方，上面裝有100個熔石英材料的後向反射器，每個直徑為3.8厘米。這種反射器實際上是一個光學的四面體棱鏡。它有一個很有用的特性：當一束光線從第四面射入，經過三個直角面依次反射後，仍從第四面射出，其方向與入射方向保持平行。在激光測距中，這一特性能保證反射光訊號沿原發射方向返回地面測站，使回波強度大大增加。這樣，利用面積很小的反射器組合就可以使地球上收到激光回波，而且波形不會因此變寬，因而可以達到很高的測距精度。後向反射器的應用，使月球激光測距的精度大大提高。目前，在月球上共安放瞭五個後向反射器裝置，地面測距系統也日趨完善。近年來測距精度已達到8厘米左右。
月球激光測距系統中采用的激光器大多是脈沖紅寶石激光器，脈沖功率高達千兆瓦，脈沖寬度為2～4毫微秒。激光束經過望遠鏡準直後的發散角僅2～4角秒，一般幾秒鐘發射一次。發射和接收可使用同一個望遠鏡，其口徑一般要大於1米。回波光訊號極其微弱，通常在接收器的陰極面上僅能產生一個光電子，所以相應地發展瞭一套單光電子接收技術。在最近研制的新型月球測距系統中，采用瞭脈寬小於1毫微秒的釔鋁石榴石激光器。這樣，就有可能在幾年內使測距精度達到2～3厘米，相對精度為5×10-11。
地面測站與月面反射器之間的距離及其變化包含瞭十分豐富的信息。幾年來，應用精確的月球測距資料，已經大大改進瞭月球的軌道計算；研究瞭月球物理天平動和內部結構模型；精確測定瞭反射器的月面坐標，改進瞭地面測站的地心坐標以及地月系的質量數據；同時還檢驗瞭引力理論，證明瞭廣義相對論的正確性。今後還會運用精確的月球測距資料來研究地球自轉和極移、測量板塊運動等十分重要的課題。