«Луне-1» предназначалось стать первым искусственным объектом, достигшим поверхности Луны, но исторической встречи с небесным телом не произошло: спустя 34 часа после запуска космический корабль прошел на расстоянии примерно 5900 км от цели. Тогда «Луна-1» вышла на орбиту вокруг Солнца, провозгласив еще одно «впервые» советской космической программы. Хотя «Луна-1» не имела на борту никаких фотокамер, она была оснащена очень сложной аппаратурой, включая детекторы, которые измерили радиационный пояс Земли, чем продемонстрировали отсутствие магнитного поля у Луны, а также обнаружили солнечный ветер — мощный поток ионизированной плазмы, испускаемый Солнцем. «Луна-1» явилась настоящим событием, которое перенесло арену соперничества между Советским Союзом и Соединенными Штатами далеко в космическое пространство.

2 сентября 1959 года Советский Союз запустил «Луну-2». Это была первая советская космическая станция, достигшая Луны. Как и при запуске первой лунной космической станции, было выпущено оранжевое облако газа, призванное не просто отметить траекторию космического корабля, но и изучить газ в состоянии невесомости в условиях открытого космоса. Лунная космическая станция «Луна-2» с полезным грузом весом 363 кг достигла лунной поверхности через полтора дня полета, врезавшись в лунную поверхность в точке, восточнее Моря Спокойствия. При соприкосновении с поверхностью станция разбросала несколько металлических вымпелов, чтобы отметить место исторического падения. На металлических вымпелах была простая надпись: «СССР. Сентябрь 1959». Попасть в Луну, огромный, но быстро движущийся объект, расположенный на расстоянии почти 320 000 км от Земли, было для того времени впечатляющей демонстрацией меткости. Советская лунная ракета олицетворяла собой совершеннейшую систему наведения и навигации, позволившую достичь этой цели.

Самая внушительная лунная космическая станция «Луна-3» оторвалась от Земли 4 октября 1959 года, во вторую годовщину «Спутника-1». Этот запуск представлял собой самый амбициозный шаг, когда-либо совершенный Королёвым и его командой инженеров и ученых. Взлетев с Байконура, «Луна-3» вышла на сильно вытянутую эллиптическую орбиту вокруг Земли, а потом — на траекторию в форме восьмерки, которая вывела ее на облет вокруг Луны, и затем — назад по направлению к Земле. Подойдя на расстояние 6080 км от Луны, «Луна-3» развернулась к ее теневой стороне (всегда спрятанной от обозрения с Земли), чтобы сфотографировать ее. 7 октября телевизионная система, установленная на станции, сделала 29 фотоснимков, охватывающих 70 % обратной стороны Луны. На это потребовалось 40 минут. Затем 18 октября изображения были отсканированы для передачи на наземные станции в оптимальный момент, когда «Луна-3» приближалась к Земле во время своего обратного полета. Русские сотрудничали с британцами, которые позволили с помощью знаменитого 250-футового радиотелескопа в Джодрелл Бэнк записать изображения, посланные с космического корабля «Луна-3». Это была примечательная просьба, учитывая секретность, окружавшую все производимые в Байконуре запуски. Обработанные изображения — первые изображения темной стороны Луны — были невысокого качества, но они позволили составить карту и провести научный анализ до тех пор скрытых особенностей лунной поверхности.

Получив эти уникальные изображения, русские быстро окрестили некоторые заметные элементы только что открытого лунного пейзажа, например два «моря» на обратной стороне Луны были названы «Московское Море» и «Море Мечты». В течение всех этих волнующих полетов к Луне Королёв еще раз продемонстрировал свое умение и способность вести советскую космическую программу к новым большим достижениям. По великой иронии в конце своей карьеры Королёв, который дал Советскому Союзу возможность добиться мирового признания в качестве пионера в области космических исследований, по-прежнему оставался анонимной фигурой в советских средствах массовой информации.

После успешного запуска в 1958 году «Эксплорера-1» Соединенные Штаты также обратились к лунным исследовательским станциям, стремясь к конкуренции в этой новой области космических исследований. Первоначальной целью было создание ракет для облета или, возможно, соприкосновения с лунной поверхностью. Важным дополнительным фактором разработки лунных космических станций было экспериментирование с новыми системами получения изображения.

Запуск 11 октября 1958 года «Пионера-1» закончился крахом, поскольку вышла из строя ракета, не достигнув второй космической скорости. «Пионер-2», запущенный 8 ноября, закончил свою миссию после того, как на высоте около 1600 км отказала третья ступень ракеты. В том же году, 6 декабря, с помощью ракеты «Юпитер-С/Юнона-2» был запущен «Пионер-3», проделавший примерно четверть пути до Луны. Однако путешествие «Пионера-3» в открытом космосе внезапно завершилось, он пострадал от неожиданной остановки двигателя; ракета постыдным образом упала обратно в атмосферу Земли. Все же эпопея с «Пионером-3» имела некоторое научное значение: его прерванная миссия, прежде чем завершиться в огне, подтвердила существование поясов Ван Аллена.

Первый в мире облет Луны станцией «Луна-1» в начале января 1959 года быстро затмил эти созидательные шаги Соединенных Штатов. В ответ на это было принято решение запустить 3 марта «Пионер-4». Наконец упорство американцев было вознаграждено долей успеха: «Пионер-4» совершил облет Луны. Хотя это был первый удачный запуск, выполненный по американской космической программе, во многом неудачной, миссия не вызвала ощущения успеха: ракета отклонилась от планируемого пути на 60 000 км — непредусмотренная траектория, обусловленная отказом двигателя.

На этом этапе советские космические аппараты для исследования Луны намного превосходили американские: если «Луна-1» весила около 360 кг, «Пионер-4» еле-еле тянул на жалкие 6 кг! Американский лунный пробник отклонился от Луны на довольно большой угол и затем попал на солнечную орбиту. В 1960 году «Пионер-5» успешно выполнил межпланетную миссию, послав обратно на Землю свое последнее радиосообщение с расстояния 35 млн км. С ноября 1959 по декабрь 1960 года Соединенные Штаты запустили три лунных пробника посредством носителей «Атлас Эйбл». Все они потерпели неудачу и не смогли выйти на лунную орбиту.

Даже с этими переменами американская космическая программа медленно набирала полную силу, создавая решающие базисные и технические средства для будущего успеха в беспилотных полетах к Луне и вокруг нее. Одним жизненно важным исследовательским центром в этом направлении станет в 60-е годы Лаборатория реактивного движения (JPL) в Пасадене, штат Калифорния. Эта лаборатория родилась в конце 30-х годов, разросшись на основе исследований Теодора фон Кармана в Калифорнийском технологическом институте. Вместе с фон Карманом работал Франк Дж. Малина, формируя JPL как важный центр исследований.