Качественно новый этап в исследовании Луны был открыт запуском автоматической станции «Луна-9», стартовавшей 31 января 1966 года.
Наступило время решения одной из важнейших задач исследования других планет – мягкой посадки станции на поверхность Луны. После посадки «Луна-9» должна была передать на Землю телевизионные изображения лунного ландшафта в целях определения структуры и особенностей поверхности Луны, а также данные о радиационной обстановке на Луне.
Полет станции «Луна-9» завершился 3 февраля в 21 час 45 минут 30 секунд – станция «Луна-9» прилунилась на западном краю Океана Бурь.
После посадки станция начала обзор лунного ландшафта и передачу его изображения на Землю. Телевизионные панорамные изображения Луны передавались в течение четырех сеансов при различных условиях освещенности. Всего со станцией было проведено семь сеансов радиосвязи общей продолжительностью свыше 8 часов. Длительность активного существования станции на поверхности Луны составила 75 часов.
Прежде всего огромное значение имел сам по себе факт посадки – безукоризненное доказательство правильности как инженерных расчетов, так и теоретических предпосылок конструкторов.
Эта выдающаяся победа нашей науки и техники, по своей значимости сравнимая с запуском первого искусственного спутника Земли, полетом Юрия Гагарина и выходом в космос Алексея Леонова, открыла новую страницу в исследовании космического пространства.
Громадное научное значение имело также получение панорамных изображений лунной поверхности с очень близкого расстояния.
Кроме получения первых достоверных сведений о микрорельефе и структуре лунного грунта, станция «Луна-9» открыла возможности для проведения непосредственных экспериментальных исследований на поверхности Луны. Так, на поверхности Луны была измерена интенсивность жесткой радиации, обусловленной космическими и солнечными лучами и радиоактивным излучением лунного грунта. Доза этой радиации оказалась небольшой. В дальнейшем непосредственные исследования на поверхности Луны проводились советскими станциями «Луна-13», «Луна-16», «Луна-17», «Луна-20», американскими аппаратами «Сервейер» и космическими кораблями «Аполлон».
21 декабря 1966 года был дан старт автоматической станции «Луна-13». Эта станция была близка по весу и конструкции к станции «Луна-9», имела такую же телевизионную систему для обзора лунного ландшафта и передачи его изображения на Землю, но дополнительно на ней были установлены приборы для непосредственного исследования лунного грунта и другая научная аппаратура.
Через 3,5 суток полета станция прилунилась примерно в четырехстах километрах от -места посадки станции «Луна-9». На Землю было передано пять панорам лунного ландшафта, снятых при различных высотах Солнца над горизонтом. Изучение панорам подтвердило выводы, полученные по данным станции «Луна-9». Дополнительные сведения о свойствах грунта были получены с помощью динамографа, регистрировавшего перегрузку, которая возникла при контакте станции «Луна-13» с поверхностью Луны.
Особенно ценную информацию дали размещенные на станции приборы для изучения физико-механических свойств лунного грунта: механический штамп-грунтомер и радиационный плотномер.
С помощью радиационных датчиков измерялась эффективная температура лунного грунта, которая постепенно возрастала по мере увеличения высоты Солнца над лунным горизонтом.
Газоразрядные счетчики, регистрировавшие космическое корпускулярное излучение, позволили определить отражательную способность лунной поверхности для космических лучей.
Важным шагом в дальнейшем изучении Луны явилось создание и запуск на селеноцентрическую орбиту искусственных спутников, которые открыли широкую перспективу глобального изучения лунной поверхности и окололунного пространства: изучение гравитационного поля и фигуры Луны, исследование магнитного поля, радиационной и микрометеорной обстановки вблизи Луны, изучение естественной радиоактивности и химического состава лунных пород.
31 марта 1966 года с Земли стартовала автоматическая станция «Луна-10», которая 3 апреля была выведена на окололунную орбиту и стала первым искусственным спутником Луны, – первой летающей лабораторией для исследования Луны и окололунного пространства.
4 апреля, в день работы XXIII съезда Коммунистической партии Советского Союза, с борта искусственного спутника Луны была передана мелодия партийного гимна «Интернационал».
Активное существование искусственного спутника Луны длилось почти два месяца (до 3G мая). За этот период с борта спутника был получен большой объем научной информации. Научные приборы станции «Луна-10» передали важнейшие сведения о Луне и окололунном пространстве.
Изучение эволюции орбиты спутника легло в основу определения формы динамической фигуры Луны, т. е. характера ее гравитационного поля. Исследования гравитационного поля показали, что его отклонения от поля центрального типа сравнительно невелики.