Конечной целью советской лунной программы была высадка человека на поверхность спутника Земли. Эта задача требовала длительной кропотливой подготовки. Очередным этапом этой работы стало создание лунных станций второго поколения. Новые станции кардинально отличались от своих предшественниц, которые должны были погибнуть, врезавшись в Луну. Теперь речь шла о мягкой посадке на лунную поверхность и ее изучение. Создание нового ракеты-носителя «Молния» сделало такую задачу технически выполнимой.
Станции второго поколения весили полторы тонны, большая часть этой массы приходилась на тормозную двигательную установку и системы ориентации и коррекции станции в пути. На поверхность Луны садилась только лунная автоматическая станция весом около 100 кг. Она отделялась от тормозного устройства на небольшой высоте, после чего срабатывали амортизирующее устройство, которое защищало АЛС от удара о поверхность. После прилунения створки капсулы раскрывались четырьмя «лепестками», и начинала работать научная аппаратура.
Но, прежде чем все это удалось осуществить, конструкторам пришлось пережить серию неудач. 9 мая 1965 года была запущена «Луна-5», но из-за замерзания масла в гироскопах системы ориентации не была проведена коррекция траектории. Через месяц отказал двигатель траектории у «Луны-6», и станция прошла мимо Луны. У запушенной в октябре того же года «Луны-7» не включился тормозной двигатель, и аппарат на большой скорость врезался в лунную поверхность. В декабре отказ тормозного двигателя привел к гибели станции «Луна-8».
Наконец, 3 февраля 1966 г. автоматическая станция «Луна-9» осуществила мягкую посадку на поверхность Луны в районе океана Бурь. По команде она начала обзор лунного ландшафта и передачу его изображения на Землю. С. Королев не дожил до этого события всего несколько недель. Успех миссии «Луны-9» имел исключительное значение для дальнейшего исследования спутника Земли и подготовки высадке на нем человека. Однако, смерть Королева стала переломным моментом в судьбе советской лунной программы. История распорядилась так, что первыми на Луну высадились американцы.
«Луна-9» доказала, что Луна имеет твердую поверхность и на нее можно мягко приземлится. До этого существовала теория, согласно которой лунная поверхность покрыта толстым слоем пыли. Оказалось, что это не так. Теперь ничего не мешало развернуть полномасштабную подготовку к полету человека на Луну.
В апреле 1966 года на окололунную орбиту была выведена автоматическая станция «Луна-10», которая стала первым в мире искусственным спутником Луны. Вслед за ней в течение года на селенистической орбите оказалось еще 3 станции. Они проводили картографирование поверхности Луны, что позволяло выбрать наиболее удобное место для высадки космонавта, проводили исследования температурного режима, магнитного поля, собственного излучения, отражающую способность Луна и концентрации метеоров в окружающем ее пространстве.