有了旗鼓相当的对手后，苏联加快了探月的步伐。1964年4月苏联又成功研制出一种新型的功能比较齐全的月球探测器——探测器号。
探测器1号～3号的质量为890千克，4号～8号的质量则达到5600千克，这8个探测器号各有各的职责。
1965年7月20日，探测器3号在距月面11600千米处掠过月球，进入月球轨道。它在飞过月球期间，拍摄到25万张月球照片，基本上弥补了月球3号探测器没有拍摄到的月球表面，从而获得了月球背面完整的概貌图。它拍到的图像清晰逼真，人们通过这些图像识别了月球上不同区域的3000多个地形。
1969～1976年，苏联发射了月球15号～24号探测器。相对于早期的月球号探测器来说，这批探测器已演变为月球自动科学站。其中，1970年9月12日发射的月球16号探测器顺利到达月球后，用它自带的小勺挖取了0.1千克月球岩石样品并自动送回地球，使人类首次获得月球表面物质的标本。
1970在11月17日，月球17号探测器携带着世界上第一个无人驾驶月球车——月球车1号成功地在月面软着陆，月球车1号在地面工作人员的遥控下勘探了月球表面8万平方米的地域，进行了200多次土样测验，并用X射线望远镜扫描了天空，获取了大量资料。月球车1号在月面上行驶了10.5千米，后来月球21号探测器带上月球车2号行驶了37千米。月球车底盘上装有电动机驱动和电磁继电器制动的轮子，靠特性吊架减少震动，能源采用的是太阳能电池和蓄电池。本来月球车可取得更大的成果，但由于地月间距离遥远，通信中存在25秒89滞后问题，月球车每完成一个动作后，地面工作人员需等待它将动作结果反馈回地球后才能指示进行下一个动作，这样操作效率就低得多。
1976年8月18日，月球24号探测器在月球危海东南部软着陆，它携带的挖掘机从2米深处挖出了1千克岩石，8月22日回收舱带着岩石平安地降落在苏联的西伯利亚地区，为苏联的月球探测画上了一个圆满的句号。
随着“阿波罗”工程的进展，飞船在月面软着陆的试验摆到了重要日程上。为此，美国设计了新型月球探测器——“勘测者号”。