Новый этап исследования Луны начался с запуском к Л. первых автоматических межпланетных станций (АМС). Исследования ведутся в СССР при помощи АМС «Луна» (к сентябрю 1973 запущена 21 АМС) и «Зонд», в США выполнены программы «Рейнджер», «Лунар Орбитер», «Сервейер» и «Аполлон» (о первых 13 запусках смотри статью «Аполлон», о 14—17-м смотри в таблице при статье Космонавтика). В начале 1959 в СССР АМС «Луна-1» была впервые сообщена вторая космическая скорость и таким образом была создана первая искусственная планета. АМС «Луна-2» доставила 14 сентября 1959 на Л. вымпел с изображением Государственного герба СССР, а 7 октября 1959 АМС «Луна-3», пролетев на расстоянии около 65 000 км от Л., впервые сфотографировала около >1/>3 обратной её стороны. Переданные с помощью телевидения изображения позволили составить первый атлас обратной стороны Л. 20 июля 1965 АМС «Зонд-3» доставила значительно более чёткие изображения почти всей остальной части обратной стороны Л., которая отличается от видимой почти полным отсутствием морей, за редкими исключениями (например, Море Москвы). Почти вся поверхность гориста и покрыта кратерами различных размеров. На обратной стороне Л. были обнаружены цепочки кратеров длиной до нескольких сотен километров. В результате исследований фотографий обратной стороны Л., снятых АМС «Луна-3» и «Зонд-3», в СССР был выпущен «Атлас обратной стороны Луны» с каталогом около 4000 впервые обнаруженных образований. В 1966 — 1967 по материалам этого «Атласа» и снимкам видимой с Земли поверхности Луны в СССР были составлены и опубликованы первая в мире полная карта Л. (см. рис.) и полный глобус Л.; в 1968 выпущен атлас из 7 карт экваториальной зоны видимого полушария Л.
Американская АМС «Рейнджер-7», запущенная 28 июля 1964 на Л., передала около 200 фотографий с расстояний от 1800 до 0,3 км; на снимках видно, что кратеры размерами от видимых с Земли до 1—2 м в диаметре встречаются и на кажущейся гладкой поверхности морей. АМС «Луна-9», запущенная 31 января 1966, впервые совершила 3 февраля 1966 мягкую посадку на Л. С её помощью была передана на Землю панорама окружающей местности. На поверхности мелкозернистого строения были видны отдельные камни или комья, вероятно, выброшенные при падении метеоритов или при вулканических извержениях. АМС «Луна-10», запущенная 31 марта 1966, стала 3 апреля 1966 первым искусственным спутником Луны. В июне — декабре 1966 американские и советские космические аппараты произвели исследования механических свойств грунта, определив его плотность и прочность. Самый верхний слой имеет плотность 1,1—1,2
