Аппарат "Е-6ЛФ" весом 1640 кг, получивший наименование "Луна-11", был запущен в космос ракетой "Молния" 24 августа 1966 года. Через четыре дня он вышел на селеноцентрическую орбиту с периселением 163,5 км и апоселением 1193,6 км. Из-за того, что тормозная двигательная установка включилась на пять минут раньше, параметры орбиты отличались от расчетных, а сам аппарат плохо поддавался управлению. В итоге вместо Луны фототелевизионные камеры засняли пустой космос. Советская пресса по своей традиции утверждала, что все задачи полета были выполнены в полном объеме.
На самом деле их выполнила станция "Е-6ЛФ" № 102, отправившаяся в космос 22 октября 1966 года под названием "Луна-12". 25 октября она вышла на селеноцентрическую орбиту с периселением в 100 км и апоселением 1740 км. Одной из главных задач "Луны-12" являлось получение и передача на Землю фотоснимков отдельных участков лунной поверхности с высот от 100 до 340 км. Через два часа после торможения были включены фототелевизионные установки, которые проработали 64 минуты. После этого станция была переориентирована для сбора другой научной информации.
В официальном сообщении о достижениях нового лунного спутника было впервые объявлено, что изучение Луны автоматическими станциями нацелено на подготовку первой лунной экспедиции — до этого сам факт такой подготовки отрицался на всех уровнях. Но, раскрыв одну тайну, Советский Союз тут же создал другую: большая часть сорока двух снимков лунной поверхности, полученных "Луной-12", никогда не была опубликована. Собственно, знатоки могут назвать только два из них — охватывающие область вблизи кратера Аристарх и часть Моря Дождей. При этом опубликованные снимки были столь низкого качества, что вызывали у западных экспертов сомнения в их подлинности.
Под завершение лунного года с помощью ракеты "Молния" была запущена еще одна станция, рассчитанная на мягкое прилунение, — "Е-6М" с заводским № 205. Она стартовала 21 декабря 1966 года, а 24 декабря уже под названием "Луна-13" совершила посадку в Океане Бурь, в районе точки с координатами 18°52′ с. ш. 62°04′ з. д., на расстоянии около 400 км от места прилунения "Луны-9".
По конструкции "Луна-13" несколько отличалась от своей предшественницы. На основном аппарате были установлены усовершенствованные радиовысотомер больших высот и прибор управления. На лунном аппарате были установлены две выносные штанги, позволившие проводить научные эксперименты по определению механических свойств и плотности наружного слоя лунного грунта на удалении до 1,5 м.
После прилунения и раскрытия лепестковых антенн и механизма выноса научных приборов был начат фототелевизионный сеанс связи. Всего за трое суток было проведено восемь таких сеансов. Панорамы лунной поверхности, переданные на Землю с единственной работоспособной телекамеры, были сняты при разной высоте Солнца (6,19 и 32 градуса), на панорамах хорошо просматривались отдельные детали.
С помощью выносных приборов были проведены исследования механических свойств поверхностного слоя грунта, которые показали, что плотность его в месте посадки составила 0,8 г/см 3, что значительно меньше плотности земных пород и средней плотности Луны. Кроме того, была замерена эффективная температура грунта, которая, как и ожидалось, постепенно возрастала по мере увеличения высоты Солнца над лунным горизонтом. 28 декабря батареи "Луны-13" окончательно разрядились и она замолчала.
Рядом с "Луной-13" практически не было больших заметных камней. Вообще, как оказалось, этому аппарату повезло — он сел на самую ровную из всех изученных людьми лунных площадок. Поскольку Океан Бурь был выбран советскими учеными в качестве места высадки первой экспедиции, то было решено, что посадок аппаратов "Луна-9" и "Луна-13" достаточно для подтверждения пригодности этого района в качестве основного для прилунения.
Президент Джон Ф. Кеннеди поставил перед США вполне конкретную задачу: до конца 1960-х годов высадить американского гражданина на Луну и вернуть его обратно. Однако, прежде чем готовить к отправке в космический полет живого человека, требовалось добиться бесперебойной работы исследовательских аппаратов на окололунной орбите и на поверхности Луны, чего пока не получалось.
В январе 1960 года Лаборатория реактивного движения представила описание программы лунных исследований "Ranger". Было предложено два типа космических аппаратов: "Block I" и "Block II".
Аппараты "Block I" готовились для демонстрационных миссий. Поднятые на очень высокую орбиту, они должны были опробовать в натурных условиях космического полета инновационные технологии, внедряемые фактически впервые. Главными новшествами были оптическая система ориентации, система стабилизации по трем осям и дополнительные двигатели коррекции, способные исправить любую ошибку выведения. Аппараты "Block II" должны были отправиться непосредственно к Луне и сбросить на ее поверхность посадочный модуль (англ.: Lander).
Подготовка к первому запуску не обошлась без казусов. 30 июля 1961 года из-за сбоя в работе электростанции значительная часть космодрома на мысе Канаверал оказалась обесточена. Лишился электропитания и аппарат "Ranger I", находившийся в собранном виде под головным обтекателем ракеты "Atlas-Agena В". Вероятно, автоматизированная система управления "вообразила", что аппарат вышел в открытый космос, и раскрыла панели солнечных батарей. Пришлось снимать головной обтекатель, демонтировать блок, чинить его и устанавливать обратно.
Запуск аппарата "Ranger I" весом 306 кг состоялся 23 августа 1961 года. Старт новой ракеты имел свои особенности. Вторая ступень ракеты-носителя, собственно "Agena", должна была запускаться дважды: при выводе аппарата на околоземную орбиту и при разгоне его до второй космической скорости. Но как раз повторно включить двигатель ступени "Agena" не удалось, и аппарат вышел на нерасчетную орбиту с высотой апогея 446 км. 30 августа 1961 года "Ranger I" вошел в плотные слои атмосферы и сгорел.
Было проведено расследование и внесены доработки в программу запуска. Старт ракеты с "Ranger II" был произведен 18 ноября 1961 года. И опять полет ракеты до момента повторного включения двигателя второй ступени проходил не по программе. И опять повторно включить его не удалось. Через два дня разрушился в плотных слоях атмосферы.
Несмотря на потерю двух аппаратов серии "Ranger Block I", от программы лунных запусков решили не отклоняться. Один за другим к Луне отправились три аппарата "Ranger Block II". В процессе полета они должны были заснять лунную поверхность с помощью телекамеры, изучить физические характеристики лунной поверхности с помощью радиолокационного альтиметра и измерить спектрометром уровень гамма-излучения в межпланетном пространстве. Сейсмограф в посадочном модуле предполагалось сбросить в район Океана Бурь.
Запуск ракеты-носителя "Atlas-Agena В" с аппаратом "Ranger III" весом 330 кг на борту состоялся 26 января 1962 года с мыса Канаверал. И снова "Agena" подвела — ее двигатель при повторном включении работал больше расчетного времени и в конце активного участка аппарату была сообщена скорость 11,1 км/с, что превышало расчетную на 0,2 км/с. Поскольку основную часть программы полета выполнить теперь не представлялось возможным, руководитель полета решил получить хотя бы общие результаты — по сигналу станции слежения в Голдстоуне при приближении аппарата к Луне телевизионная камера была направлена на наш естественный спутник. Но из-за недостаточно точной ориентации направленной антенны сигнал радиопередатчика "Ranger III" был потерян и изображений Луны получить не удалось.