После этого станция вышла из сферы действия земного тяготения и переместилась на гелиоцентрическую орбиту с перигелием 146,4 миллиона километров и с афелием 197,2 миллионов километров, став первым в мире искусственным спутником Солнца или, если говорить более образно, искусственной планетой Солнечной системы. В мировой печати станция «Луна-1» получила название «Мечта».
Полет первого «лунника» (так в конструкторском бюро С. П. Королева называли станцию «Луна-1») явился началом первого этапа космических исследований Луны. Этот полет преследовал прежде всего технические цели, а именное, отработку старта новой ракеты-носителя; исследование процесса терморегулирования в контейнере; испытание систем управления ракетой, энергопитания, радиоконтроля траектории полета и т. п.
Станция «Луна-1» позволила ученым значительно продвинуться в исследований межпланетной космической среды. В результате полета, в частности, было установлено существование радиационного пояса Земли, отсутствие существенного магнитного поля Луны и впервые зарегистрировано сильные потоки ионизированной плазмы, излучаемые Солнцем и образно названные впоследствии «солнечным ветром».
Изучение ближайшего к Земле небесного тела с борта космического аппарата было продолжено во время полета советской автоматической станции «Луна-3». 4 октября 1959 года она была выведена космической ракетой на эллиптическую орбиту искусственного спутника Земли, оттуда стартовала к Луне, пролетела на расстоянии 6200 километров от ее поверхности и 7 октября сфотографировала ее обратную сторону в двух масштабах. Полученные изображения после проявления пленки на борту станции с помощью фототелевизионной системы были переданы на Землю. Затем, совершив 11 оборотов вокруг Земли, станция «Луна-3» вошла в плотные слои земной атмосферы и прекратила свое существование.
Исследования Луны с пролетной траектории были продолжены в США с помощью космических аппаратов типа «Пионер», которые предназначались для вывода научной аппаратуры из сферы гравитационного действия и поддержания радиосвязи на больших расстояниях. Всего было запущено девять космических аппаратов данного типа. Только два из них, «Пионер-2» (март 1959 год) и «Пионер-5» (март 1960 года), сумели оторваться от нашей планеты и выйти на гелиоцентрические орбиты. Запуски остальных аппаратов из-за различных неполадок в ракетах-носителях оказались неудачными.
Пролеты возле Луны осуществляли также американские космические аппараты «Рейнджер-3» (январь 1962 года) и «Рейнджер-5» (октябрь 1962 года), а также советские автоматические станции «Луна-4» (апрель 1963 года) и «Луна-6» (июнь 1965 года). Завершающим научным экспериментом этого этапа исследований Луны можно считать полет советской автоматической станции «Зонд-3», которая была запущена 18 июля 1965 года, а уже 20 июля она сфотографировала обратную сторону Луны с расстояния 11 570— 9960 километров.
Полеты автоматических станций «Луна-3» и «Зонд-3» решили важнейшую задачу первоначального глобального обзора естественного спутника Земли. На основе полученных снимков Государственный астрономический институт имени П. К. Штернберга (ГАИШ) совместно с рядом других организаций выпустил «Атлас обратной стороны Луны» (первая часть вышла в 1960 году, а вторая — в 1967 году) с каталогом, содержащим около четырех тысяч впервые обнаруженных лунных образований. Во второй половине 1960-х годов ГАИШ И Топогеодезической службой СССР были составлены и опубликованы первые в мире полная карта и полный глобус Луны, а в 1968 году был издан атлас из семи карт экваториальной зоны ее видимого полушария.
На фотографиях, полученных со станций «Луна-3» и «Зонд-3», видно, что обратная сторона Луны светлая и гористая, здесь мало темных пятен — «морей», характерных для полушария обращенного к Земле. Удалось выявить на ней и особые крупномасштабные впадины овальной формы, по своей площади сравнимые с лунными морями. Советские ученые предложили назвать их талассоидами, то есть мореподобными. Диаметр отдельных талассоидов достигает 500 километров, однако их дно не имеет характерной для лунных морей темной окраски и усеяно множеством кратеров. На фотоснимках запечатлен еще один тип формаций, не встречающихся на видимой стороне Луны, — многочисленные цепочки кратеров протяженностью до 600 и более километров.