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在20世纪50年代末，拍摄月球背面图像并不是件容易的事情。苏联在发射“月球3号”时，对发射时间和飞行轨道作了精心的安排，当时月球背面正值白天，使得探测器上的光学照相机可以进行拍摄。

苏联的第二代月球探测器要攻克的是月面软着陆技术，这是探月工程中最难解决的技术问题之一。

1963年～1965年，苏联先后进行了12次软着陆尝试，但均以失败告终，其中有5次飞临月球，苏联依次把它们命名为“月球4号”至“月球8号”。这5颗着陆器中的3颗撞毁在月球上，2颗与月球擦肩而过。1965年5月升空的“月球5号”在准备降落的最后阶段，因制动火箭未能启动而功亏一篑，它以极大的速度灾难性地一头撞进月球，扬起的月壤形成了长225千米、宽85千米的尘云。接踵而至的是不幸的“月球6号”，它在奔向月球的途中完成轨道修正后，没有按预定程序关闭修正轨道的发动机，最终与月球失之交臂，进入了日心轨道。重蹈覆辙的“月球7号”起初准确无误地完成了所有步骤，但最后阶段因制动火箭点火过早，推进剂提前消耗殆尽，最终失去制动力撞毁在月球的风暴洋中。两个月后发射的“月球8号”与7号正好相反，制动火箭启动太迟，“月球8号”尚未减低到安全着陆速度就摔在月面上，再一次上演与月球相撞的悲剧。直到1966年，“月球9号”和“月球13号”才双双降落在月球，“月球9号”成为第一个在地球以外天体上实现软着陆的人造物体。

1966年1月31日，“闪电号”运载火箭将“月球9号”送上充满期盼的征程。火箭先把“月球9号”送入200千米左右的地球停泊轨道，然后第三级火箭二次点火，将58吨的“月球9号”推进奔月轨道。途中，“月球9号”要不断进行轨道修正，以保证与月球相会。三天半之后，“月球9号”临近月球，在距离月球大约8300千米时，进行了姿态调整，将制动火箭发动机对准月面，然后启动着陆系统程序。2月3日，“月球9号”在距离月面75千米时“刹车”减速，从2600米/秒的高速逐渐减低下降速度，同时从底部伸出一根用来确定关闭发动机时机的5米长探针，在探针触到月面的瞬间，“月球9号”迅速关闭发动机并抛出位于顶部的卵形着陆舱，最终以6米/秒的速度降落在月球“风暴洋”上。

着陆舱设计得非常巧妙，它带有缓冲装置，被抛出后像一个有弹性的气囊，可在月球表面“蹦蹦跳跳”。当它停稳时，由4瓣组成的外壳会像花儿一样绽开，花瓣本身就是天线，花瓣里面还有4根75厘米的鞭形天线，它们一起向地球发送信息。着陆舱携带的摄像机此时伸出镜头开始拍照，7个小时后地面控制人员收到了首张来自月球表面的黑白全景照片。接下来的三天，全世界的目光都集中在月球上，“月球9号”分7次向地球传回了8小时的信息，直到3天后电池耗尽。它的成功不仅使人类第一次得到了月球表面的全景照片和局部区域的立体照片，还告诉人们：月球表面是硬的，完全不必担心登月航天员会陷进月壤之中。而此前，科学家一直担心月表的浮尘会像地面的沼泽一样，使人陷入灭顶之灾。

“月球9号”向地面传送月面图片时使用的是明码信号，一家英国银行的电台监听了这些信号并将其转换成标准图片。几分钟之后，西方媒体抢先刊登了这些月球表面的照片，苏联人对此十分生气。从那以后，苏联探测器上传回的图片都加上了密码。

1966年底，苏联第二颗软着陆器“月球13号”又踏上征程，它工作了6天，除了拍摄图片外，还携带了一种穿透器，通过测定穿进月壤的速度和深度，分析月壤的力学性质；“月球13号”还测量了月壤密度，并通过测量着陆时与月球碰撞产生的振动波的时间和强度，获得了20厘米～30厘米厚月壤的力学性质。测量的结果表明，着陆点附近的月壤呈粒状性质，并有轻微的黏性，密度约为每立方厘米克。

为了确切了解月球重力场的分布，避免载人登月器偏离着陆点，苏联还发射了环月探测器，对月球重力场分布并不均匀的情况进行了详细探测。人类首颗环绕月球飞行的月球探测器是“月球10号”，它在350千米×1017千米的椭圆轨道上围绕月球飞行了460圈。此后，苏联又发射了月球11号、12号和14号月球探测器，这些月球探测器还测量了月球附近的辐射环境，包括月球表面伽马射线的强度，太阳风离子和电子通量等，它们默默地为载人月球飞行做好了准备。

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