8 июня 1965 года в полет отправилась "Е-6" с заводским № 7. Она получила официальное наименование "Луна-6" и практически полностью повторила путь "Луны-5". Но если "Луна-5" достигла поверхности Луны, то "Луна-6" из-за сбоя в работе тормозной двигательной установки прошла мимо нее на расстоянии 160 000 км, превратившись в очередную искусственную планету на гелиоцентрической орбите.

На очереди была "Е-6" № 11. Ее старт планировалось произвести 4 сентября 1965 года, но ракета просто не ушла со старта — была обнаружена неисправность системы регулирования. Ее замена и восстановление на заправленной ракете были невозможны. Пришлось слить топливо, ракету со старта снять, а запуск перенести. Он состоялся ровно через месяц — 4 октября 1965 года. На межпланетную трассу была выведена станция, получившая официальное название "Луна-7". На нее возлагали большие надежды. Тем более, что стартовала она в знаменательный для мировой космонавтики день — минуло восемь лет со дня триумфального запуска первого искусственного спутника, и очень хотелось надеяться на лучшее. Но надеждам не суждено было оправдаться: 8 октября из-за отказа системы ориентации станция упала на поверхность Луны и разбилась около кратера Кеплер. Мягкая посадка опять не удалась.

Цепь неудач с осуществлением мягкой посадки вызвала гнев советских руководителей. Ученым пришлось оправдываться на заседании Военно-промышленной комиссии. Там выступил и сам Сергей Павлович Королев, который сказал:

Объяснение причин всех неудач при решении проблемы мягкой посадки подробно расписано на представленных здесь плакатах, раздельно для каждого пуска. Но есть одна общая причина, которая все объясняет, — идет процесс познания. На процесс познания в планах и графиках мы не предусмотрели затраты средств и времени. В этом наша ошибка, за нее мы расплатились, и, смею заверить, в ближайшее время задача будет решена. Мы прошли трудный путь познания, получили бесценный опыт. Прошу комиссию разрешить провести пуск и по его результатам, если сочтете необходимым, принимать окончательное решение…

Слова главного конструктора возымели действие — правительство дало согласие на проведение дальнейших запусков по программе "Е-6". 3 декабря 1965 года стартовала "Луна-8" ("Е-6" № 12). Сначала все шло согласно программе. На расстоянии 800 км от Луны начали надуваться резиновые амортизаторы, но один из них был разорван сломавшимся стеклопластиковым кронштейном крепления лепестковых антенн, газ начал выходить в космос, создавая значительный вращающий момент, — аппарат на скорости врезался в Луну на территории Океана Бурь.

Наступил 1966 год. Подготовка к очередному пуску шла по графику, но дважды работы пришлось временно приостанавливать. Сначала это заставили сделать новогодние праздники, затем — неожиданная смерть Сергея Павловича Королева. Главный конструктор и самый значительный из основоположников отечественной космонавтики умер на операционном столе, так и не увидев вблизи поверхность Луны, к которой так стремился…

31 января 1966 года стартовала станция "Луна-9". В документации ОКБ-1 эта станция значилась под № 13. Однако незадолго до запуска работы по межпланетным аппаратам были переданы в НПО имени Лавочкина, в конструкторское бюро Георгия Николаевича Бабакина (1914–1971), который тут же поспешил присвоить станции свой заводской номер — "202". Станция была модернизирована: инженеры доработали злосчастный кронштейн, изменили программу посадки так, чтобы амортизаторы наполнялись газом только после того, как начинает работать тормозной двигатель, и поставили новую, улучшенную телекамеру.

На этот раз советских ракетчиков ждал триумфальный успех. На высоте 75 км от поверхности Луны (за 48 секунд до посадки) была включена двигательная установка, которая обеспечила гашение скорости. 3 февраля 1966 года "Луна-9" совершила мягкую посадку в Океане Бурь, западнее кратеров Рейнер и Марий, в точке с координатами 7°8′ с. ш. 64°22′ з. д. Через 250 секунд с борта пошла телеметрическая информация, а через 15 минут начало передаваться первое пробное изображение. Оно оказалось плохого качества, поскольку Солнце стояло низко над горизонтом. Зато через 24 часа на Землю поступили кадры первой круговой панорамы с места прилунения. Таким образом, советские ученые застолбили за собой сразу два приоритета: первая мягкая посадка на Луну и первые кадры с Луны.

В период до 6 февраля прошли семь сеансов связи со спускаемым аппаратом. На Землю были переданы панорамы лунной поверхности, полученные при различной высоте Солнца над горизонтом (7,14, 27 и 41 градус). Оказалось, что аппарат сел в кратере диаметром 25 м, около края. Поблизости от аппарата находилось пятнадцать камней разных размеров: от полуметра до нескольких метров. Благодаря специальной системе зеркал одиночная панорама "Луны-9" обладала свойствами стереоскопического изображения и позволяла при правильной обработке определить истинные координаты объектов. Однако выяснилось, что можно обойтись и без этого устройства: из-за проседания аппарата после посадки положение камеры постепенно изменялось (наклон от 16° для первой панорамы до 22° для третьей). За счет этого были получены реальные стереопары. Но главное, что ученые убедились: посадка на Луну возможна, никаких многометровых слоев пушистой пыли на ней нет.

Передача данных с "Луны-9" прекратилась вечером 6 февраля 1966 года из-за разрядки батарей. Всего лунный аппарат находился на связи 485 минут. Место прилунения аппарата "Е-6" позднее получило официальное название "Равнина Посадки". Приоритет советских ученых был зафиксирован дипломом Международной авиационной федерации (FAI).

Но они не собирались останавливаться на достигнутом. В начале февраля Георгий Бабакин убедил руководство Академии наук СССР одобрить проект упрощенной лунной станции для изучения Луны с селеноцентрической орбиты. Фактически это была все та же межпланетная станция "Е-6", только вместо спускаемого аппарата на ней устанавливался искусственный спутник Луны весом 245 кг, называемый "лунной лабораторией".

Новая станция, разработанная в бюро Бабакина, проходила под обозначением "Е-6С". На ней был установлен довольно многообразный комплект научного оборудования: трехкомпонентный магнитометр для уточнения нижнего предела возможного магнитного поля Луны: гамма-спектрометр для исследования интенсивности и спектрального состава гамма-излучения поверхности Луны; газоразрядные счетчики для регистрации солнечного корпускулярного и космического излучения; ионные ловушки для регистрации полного потока ионов и электронов солнечного ветра и поиска ионосферы Луны; пьезоэлектрические датчики для регистрации в межпланетном и окололунном пространстве метеорных частиц; инфракрасный датчик для определения теплового излучения Луны; счетчик мягких рентгеновских фотонов для измерения рентгеновского излучения пород лунной поверхности.

Первый аппарат из серии "Е-6С" с заводским № 204 был запущен ракетой-носителем "Молния" уже 1 марта 1966 года. Однако из-за сбоя в системе управления он остался на околоземной орбите высотой 200 км, получив официальное название "Космос-111", и вскоре сгорел в атмосфере.

"Луна-10" ("Е-6С" № 206) отправилась в космос 31 марта 1966 года, и 3 апреля ее "лунная лаборатория" вышла на селеноцентрическую орбиту с периселением 350 км и апоселением 1016 км. При этом она передала на Землю запись партийного гимна коммунистов "Интернационал", который слушали стоя делегаты проходившего в те дни XXIII съезда КПСС.