21 февраля автоматическая станция "Луна-20" совершила мягкую посадку в точке с координатами 3°32′ с. ш. 56°33′ в. д., на участке лунного материка, примыкающего к северо-восточной оконечности Моря Изобилия.

После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров получены изображения лунной поверхности, по которым ученые на Земле выбрали место взятия образцов лунной породы. По команде было включено фунтозаборное устройство, и начались операции по забору фунта. В процессе забора фунта дважды срабатывал автомат защиты по току, бурение приостанавливалось, и его снова возобновляли по командам с Земли.

Взятые образцы были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы. После окончания перегрузки грунта в спасаемый аппарат с помощью телефотометра было повторно получено изображение места взятия проб фунта.

Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 23 февраля, а уже 25 февраля 1971 года спасаемый аппарат приземлился в 40 км северо-западнее Джезказгана.

Главным результатом полета "Луны-20" стала доставка на Землю образцов лунного грунта массой 55 г. Этот новый образец лунного грунта представлял собой рыхлый разнозернистый материал светлосерого цвета, значительно более светлого, чем реголит из Моря Изобилия. Более светлый оттенок реголита "Луны-20" был подтвержден фиксацией отражающей способности места посадки.

Следующий аппарат из той же серии "Луна-23" ("Е-8-5М" № 410) был запущен 28 октября 1974 года, а 2 ноября 1974 года вышел на орбиту искусственного спутника Луны, близкую к расчетной.

Новая станция немного отличалась от предшественниц. В частности, в три раза была уменьшена заправка водой системы обеспечения теплового режима приборного отсека и снят высотомер малых высот "Квант". Основным же отличием стала замена грунтозаборного устройства. Новое буровое грунтозаборное устройство "ЛБ09" состояло из буровой головки, буровой штанги с колонкой и механизмом забора грунта, механизма подачи буровой головки, механизма перегрузки керна и контейнера для укладки керна. В процессе бурения грунт поступал во внутреннюю полость штанги, где была расположена гибкая трубка — грунтонос — и механизм, который подхватывает грунт и удерживает его в виде столбика на протяжении всего процесса бурения. По окончании бурения грунтонос с грунтом извлекался из внутренней полости штанги и наматывался на барабан, размещенный в специальном контейнере. Затем этот контейнер помещался в герметизируемую капсулу спасаемого аппарата возвратной ракеты. Максимальная глубина бурения составляла при этом 2,3 м.

В связи с жесткой установкой грунтозаборного устройства на корпусе посадочной ступени из состава аппаратуры были исключены телефотометры и светильники.

Конструкция возвратной ракеты и спасаемого аппарата осталась без изменения, за исключением герметизируемой капсулы для размещения грунта, чей диаметр был увеличен с 68 до 100 мм.

6 ноября 1974 года в заданное время была включена двигательная установка для схода "Луны-23" с орбиты. Первый этап торможения прошел штатно и закончился на высоте 2280 м. После выключения двигателя включился доплеровский измеритель скорости "ДА-018", который обеспечивал измерение скорости и дальности на этапе прецизионного торможения. Однако, когда на высоте 400–600 м должно было произойти переключение на второй диапазон измерений, этого не произошло. В результате с высоты 130 м прекратилось измерение высоты полета. Автоматическая станция "Луна-23" совершила посадку на поверхности Луны на западном крае Океана Бурь, западнее кратеров Рейнер и Марий, в точке с координатами 12° 4Г с. ш. 62°17′ в. д. При этом вертикальная скорость в момент посадки более чем вдвое превысила допустимую: 11 м/с вместо 5 м/с, а сама посадка была произведена на площадку с углом наклона 10–15°.