Следующий этап программы выполнялся станциями "Е-2" и "Е-2А", которые должны были сфотографировать и передать на Землю фотоснимки обратной, невидимой земному наблюдателю, стороны Луны — еще один важнейший приоритет! Автоматическая межпланетная станция серии "Е-2" существенно отличалась от космических аппаратов, запущенных ранее. Основные конструкционные отличия диктовались тем, что в определенный период своего движения по орбите "Е-2" становился ориентированным аппаратом, способным проводить астрономические наблюдения заранее выбранного небесного тела, в данном случае — Луны. Причем в качестве источников тока для питания аппаратуры ориентации использовались солнечные батареи.

Конструктивно "Е-2" и "Е-2А" изготовили в виде герметичного сварного цилиндрического контейнера длиной 1,3 м из алюминиевого сплава со сферическими днищами. На наружной поверхности устанавливались панели солнечных батарей, жалюзи системы терморегулирования, антенны радиокомплекса, иллюминаторы, датчики научной аппаратуры, датчики и микродвигатели системы ориентации. Внутри на раме разместили аппаратуру радиокомплекса, автоматики, научных исследований, фототелевизионное устройство "Енисей" и буферные батареи электропитания. Общий вес третьей ступени без топлива составил 1553 кг, вес отделяемой станции "Е-2А" — 278,5 кг.

Фототелевизионное устройство "Енисей" разработали сотрудники ленинградского НИИ-380, впоследствии известного как Всесоюзный научно-исследовательский институт телевидения. Это был не просто фотоаппарат, но и проявочное устройство, и передатчик (через бортовую радиолинию) полученных после обработки изображений. Неслучайно конструкторы называли его в шутку "банно-прачечным трестом".

Устройство имело два объектива с фокусными расстояниями 200 и 500 мм для одновременной съемки двух кадров в двух масштабах. Эта методика оснащения телевизионной системы двумя телекамерами (двумя сменными объективами) потом многократно использовалась в космических аппаратах, создаваемых для изучения Солнечной системы. Объектив с фокусным расстоянием 200 мм формировал изображение диска Луны, полностью вписывающееся в кадр. Крупномасштабное изображение Луны выходило за пределы кадра, но давало увеличение четкости, соответствующее увеличению фокусного расстояния. В обоих случаях формировались телевизионные кадры с четкостью не ниже 1000 строк.

Запуск межпланетной станции "Е-2А" ракетой "Р-7" (8К72, № Л1-8, "Восток") состоялся 4 октября 1959 года. В прессе прошло сообщение о запуске "Луны-3". Для приема бесценных снимков были организованы два временных пункта связи: на горе Кошка близ Симеиза (Крым) и на Камчатке. Сеансы связи со станцией в крымском пункте велись днем и ночью, на них присутствовал сам Сергей Павлович Королев и его коллеги, почти не отдыхая.

Станция вышла на эллиптическую орбиту с апогеем 480 000 км и перигеем 47 500 км. Траектория полета была выбрана с таким расчетом, чтобы в момент максимального сближения с Луной (6200 км) аппарат находился от нее южнее, а на полученных снимках было видно достаточное количество известных объектов, что необходимо для нанесения координатной сетки на карту Луны. Съемка проводилась 7 октября, когда Солнце освещало около 70 % ее обратной стороны.

После проявления пленки на борту станции, изображения передавались с помощью фототелевизионной системы в двух режимах: медленном на больших расстояниях и быстром при подлете к Земле.

Вспоминает конструктор Борис Евсеевич Черток (1912–2011):

Я пристроился рядом с Богуславским [специалист по космическим радиосистемам Евгений Яковлевич Богуславский] у аппарата открытой записи на электрохимической бумаге.