Успешно прилунившийся через несколько месяцев американский аппарат «Сервейер-3» также провел исследования механической прочности лунного грунта и передал на Землю более 6 тысяч снимков. Четвертый аппарат «Сервейер» посадить на Луну не удалось. Однако впоследствии США осуществили мягкую посадку еще трех аппаратов этой серии: «Сервейер-5» (11 сентября 1967 года), «Сервейер-6» (10 ноября 1967 года) и «Сервейер-7» (10 января 1968 года), которые определили химический состав лунного грунта и передали около 70 тысяч снимков.

Исследования показали, что поверхностный лунный грунт состоит в основном из вулканических пород, аналогичных встречаемым на Земле.

Особенно интересным был четвертый этап исследований Луны, когда была поставлена задача создания ее искусственных спутников. 31 марта 1966 года была запущена советская автоматическая станция «Луна-10». 3 апреля она была выведена на окололунную орбиту со следующими параметрам: период обращения 2 часа 58 минут 15 секунд и наклонение к плоскости лунного экватора 71 градус 54 минуты.

Аппаратура, установленная на борту первого лунного спутника, позволила ученым решить ряд вопросов о параметрах окололунного космического пространства, о природе и характеристиках грунта на поверхности Луны. В частности, радиотехнические измерения параметров орбиты «Луны-10» выявили некоторую грушевидность формы Луны с вытянутостью на обратной стороне, то есть в направлении от Земли.

Исследования Луны с орбит искусственных спутников впоследствии были продолжены советскими космическими станциями «Луна-11» (запуск 28 августа 1966 года), «Луна-12» (запуск 22 октября 1966 года), «Луна-14» (запуск 7 апреля 1968 года) и «Луна-15» (запуск 13 июля 1969 года), американскими аппаратами серии Лунар «Орбитер-1» (запуск 10 августа 1966 года), Лунар «Орбитер-2» (запуск 6 ноября 1966 года), Лунар «Орбитер-3» (запуск 5 февраля 1967 года), Лунар «Орбитер-4» (запуск 4 мая 1967 года) и Лунар «Орбитер-5» (запуск 1 августа 1967 года), а также двумя аппаратами серии «Эксплорер-35» (запуск 19 июля 1967 года) и «Эксплорер-49» (запуск 10 июня 1973 года). Все эти станции и аппараты передали детальные снимки обширных площадей видимой и невидимой сторон Луны, позволили определить аномалии ее гравитационного поля, а также получить общие сведения селено-геохимического характера.

Действительно, к числу особенно важных научных достижений советской космохимии относится первичное определение химического состава лунных пород с помощью искусственных спутников «Луна-10», «Луна-11» и «Луна-12». Это осуществлялось путем регистрации рентгеновского и гамма-излучений от поверхностного слоя лунной породы и передачи информации на Землю с привязкой ее к неографическим координатам на Луне.

Таким образом были получены многочисленные спектры для морских и горных районов, анализ которых показал, что лунные породы с максимальным содержанием природных радиоактивных элементов близки к земным базальтовым породам. Была обнаружена и порода с более низким содержанием радиоэлементов, что близко к ультраосновным породам Земли. Кроме того, ученые пришли к выводу о том, что метеорная и радиационная обстановка у Луны не представляет серьезной угрозы для полетов пилотируемых космических кораблей.

Следующий, пятый этап в изучении Луны открыли автоматические аппараты и пилотируемые корабли, возвращаемые после выполнения определенного задания на Землю. Крупным шагом в этом направлении явились рейсы советских космических аппаратов «Зонд-5», запушенного 15 сентября 1968 года, и «Зонд-6», запущенного 10 ноября 1968 года, которые облетели Луну и успешно возвратились на Землю.