Úspěch, který zaznamenala v roce 2002 americko-německá dvojice družic GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) na oběžné dráze Země v podobě velmi podrobné gravitační mapy naší rodné planety, inspiroval NASA k naplánování podobné mise. Tentokrát se měla týkat Měsíce. Vybavení k měření gravitačních anomálií bylo podobné koncepce jako na družicích GRACE s tím rozdílem, že u Měsíce nelze použít signál GPS, takže musí příjít na řadu jiný způsob, který si představíme v článku. Design si GRAIL vypůjčil z Experimental Small Satellite-11 (XSS-11) firmy Lockheed Martin a systém avioniky vycházel ze sondy Mars Reconnaissance Orbiter, která nám stále poskytuje cenná data z oběžné dráhy Marsu.