31 grudnia 2011 na orbitę Księżyca (LOI) weszła pierwsza z sond (GRAIL-A). GRAIL-B weszła na orbitę 1 stycznia 2012 roku. Oba satelity doleciały w pobliże Księżyca nad jego południowym biegunem. Praca silników zwalniających trwała 38 minut dla każdego z satelitów. Odpalenie zmieniło ich prędkość o prawie 200 m/s. Statki po tym manewrze zostały umieszczone na polarnej orbicie eliptycznej o okresie 11,5 h.
2 stycznia 2012 rozpoczęła się faza redukcji okresów obiegu satelitów, która trwała 5 tygodni. W jej rezultacie oba statki osiągnęły 2-godzinne okresy obiegów.
6 lutego 2012 przeprowadzone zostały manewry mające na celu przybliżyć i ustawić oba satelity w wymaganym położeniu względem siebie na tej samej orbicie. Do tego momentu GRAIL-A i GRAIL-B działały niezależnie. Manewr ten przygotował ich pozycje do wspólnej pracy.
Faza naukowa od 7 marca do 29 maja 2012 roku przeznaczona była na badanie pola grawitacyjnego Księżyca. Podczas badań odległość między satelitami wahała się od 65 do 225 km, a cała powierzchnia Księżyca została przeskanowana trzykrotnie.