Chuyến bay được đặt tên là Artemis 1 và là chuyến bay đầu tiên trong chương trình khám phá Mặt trăng Artemis của NASA. Tiếp theo, Artemis 2 dự kiến đưa các phi hành gia bay quanh Mặt trăng vào năm 2024; và Artemis 3 dự kiến hạ cánh một phi hành đoàn xuống gần cực nam của Mặt trăng vào năm 2025.
Artemis 1 là chuyến bay thử nghiệm quan trọng vì NASA có kế hoạch sử dụng chính khoang tàu Orion để đưa các phi hành gia lên Mặt Trăng trong những năm tới. Orion còn mang theo nhiều thí nghiệm khoa học cần được tiến hành trong môi trường vũ trụ nhằm tận dụng tối đa chuyến bay thử nghiệm có giá hơn 4 tỷ USD.
Sau khi được phóng lên vũ trụ bằng SLS, Orion sử dụng một hệ thống động cơ nhỏ hơn, do châu Âu chế tạo, để tự bay đến quỹ đạo của nó quanh Mặt trăng.
Trên đường đi, các thí nghiệm khoa học lần lượt được tiến hành. Trong vòng vài giờ sau khi phóng, Orion sẽ thả 10 cubesat (hay vệ tinh nhỏ hình khối) vào không gian. Hai trong số đó sẽ lập bản đồ băng trên bề mặt Mặt Trăng, theo những cách khác nhau. NASA quan tâm đến băng trên Mặt trăng vì trong đó ẩn giấu lịch sử của Hệ Mặt Trời, và băng có thể được khai thác làm tài nguyên cho các nhiệm vụ đổ bộ Mặt trăng trong tương lai.
Một trong hai cubesat lập bản đồ băng sẽ bay qua cực nam của Mặt trăng, tìm kiếm nước ở dạng hydro, từ đó tiết lộ vị trí băng nước (băng đông lại từ nước, khác với băng khô đông lại từ CO2). Cubesat thứ hai sẽ lập bản đồ băng bằng quang phổ kế hồng ngoại để tìm kiếm dấu hiệu của nước trên bề mặt Mặt trăng. Hai bộ dữ liệu sẽ bổ khuyết lẫn nhau để tạo thành bản đồ băng Mặt trăng.
Một cubesat khác là tàu đổ bộ của Nhật Bản, tên gọi Omotenashi, sẽ bay xuống bề mặt Mặt trăng. Khi cách bề mặt vài trăm mét, nó sẽ phóng ra một tàu thăm dò. Tàu thăm dò sẽ rơi tự do, sau đó tìm cách liên lạc với Trái đất và đo môi trường bức xạ. Chỉ nặng 700 gram, đây là tàu đổ bộ Mặt trăng nhỏ nhất thế giới.
Trong lúc đó, các thí nghiệm khoa học khác vẫn ở yên trên Orion. Một số thí nghiệm được thiết kế để kiểm tra tác động của bức xạ lên các sinh vật sống.
Chẳng hạn, trong một thí nghiệm, cặp ma-nơ-canh nữ có tên Zohar và Helga, bên trong chứa các cơ quan nội tạng nhân tạo, được buộc vào ghế của Orion để theo dõi bức xạ. Zohar mặc áo bảo hộ, còn Helga thì không. Thí nghiệm này nhằm định lượng chính xác hơn nữa tác động của bức xạ đối với cơ thể con người - đặc biệt là đối với phụ nữ, những người có cơ thể dễ bị tổn thương bởi bức xạ không gian sâu hơn nam giới. Đây sẽ là thông tin thiết yếu cho các chuyến bay Artemis tiếp theo, đặc biệt là Artemis 3 với kế hoạch đưa phi hành gia nữ đầu tiên lên Mặt trăng.
Giới hạn phơi nhiễm bức xạ hiện tại của NASA đối với các phi hành gia nam cao hơn giới hạn đối với phi hành gia nữ, mang lại cho các phi hành gia nam nhiều cơ hội bay hơn. Nếu xác định được tiêu chuẩn mới chính xác hơn thì sẽ hạn chế được phân biệt đối xử đối với các phi hành gia nữ.
Orion sẽ quay trở lại Trái đất sau 42 ngày.
