Primeira missão robótica
Na sequência do lançamento em 1957 do satélite Sputnik da R.S.U., a primeira nave espacial a orbitar a Terra, tornou-se óbvio que o próximo grande objectivo tanto do programa espacial soviético como dos EUA seria a Lua (ver exploração espacial). Os Estados Unidos rapidamente prepararam e lançaram algumas sondas lunares robóticas, a maioria das quais falhou e nenhuma delas chegou à Lua. A União Soviética teve mais sucesso, conseguindo em 1959 a primeira fuga da gravidade terrestre com Luna 1, o primeiro impacto na superfície lunar com Luna 2 e o primeiro levantamento fotográfico do lado distante da Lua com Luna 3. Após a fundação da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) em 1958, o programa dos EUA tornou-se mais ambicioso técnica e cientificamente mais orientado. As investigações iniciais das naves espaciais foram orientadas para o estudo do caráter fundamental da Lua como corpo planetário por meio de observação sísmica, espectrometria de raios gama e imagens de grande plano. Os cientistas acreditavam que mesmo dados sísmicos limitados dariam pistas para resolver a questão de se a Lua era um corpo primitivo, indiferenciado ou que tinha sido aquecido e modificado por processos físicos e químicos como os da Terra. Medidas de raios gama complementariam os resultados sísmicos mostrando se o interior da Lua tinha radioatividade suficiente para servir como um motor de calor ativo, e também dariam alguma informação sobre a composição química da superfície lunar. As imagens revelariam características muito pequenas para serem vistas da Terra, talvez fornecendo informações sobre os processos da superfície lunar e também despertando o interesse do público.
Entre as nove missões Ranger dos EUA lançadas entre 1961 e 1965, a Ranger 4 (1962) tornou-se a primeira nave espacial dos EUA a atingir a Lua. Apenas as últimas três naves, no entanto, evitaram as avarias que limitaram ou puseram prematuramente fim às missões dos seus antecessores. O Ranger 7 (1964) devolveu milhares de excelentes imagens de televisão antes de impactar, e os Rangers 8 e 9 (ambos de 1965) seguiram com sucesso. O local de impacto do Ranger 7 foi chamado de Mare Cognitum pelos novos conhecimentos adquiridos, um exemplo importante disso foi a descoberta de que mesmo pequenas características lunares foram em sua maioria subjugadas por incessantes impactos de meteoritos.
Após vários fracassos em meados dos anos 60, a União Soviética obteve várias conquistas notáveis: a primeira aterrissagem suave lunar bem sucedida pela Luna 9 e a primeira órbita lunar pela Luna 10, ambas em 1966. Fotos da Luna 9 revelaram a natureza suave e rubra do regolito e, como a cápsula de pouso não afundou fora de vista, confirmou sua força de suporte aproximada. Os dados de raios gama da Luna 10 insinuaram uma composição basáltica para regiões próximas. Em 1965 a missão voadora soviética designada Zond 3 devolveu boas imagens do lado distante da Lua.
Em meados dos anos 60, os Estados Unidos realizaram suas próprias missões de aterrissagem suave e orbital. Em 1966 o Surveyor 1 aterrissou na Lua e devolveu imagens panorâmicas de televisão. Mais seis Surveyors seguiram entre 1966 e 1968, com duas falhas; eles forneceram não só a visão detalhada da paisagem lunar pela televisão, mas também os primeiros dados químicos sobre o solo lunar e as primeiras informações da mecânica do solo mostrando as propriedades mecânicas dos poucos centímetros superiores do rególito. Também, durante 1966-67 cinco Orbiters Lunares Americanos fizeram levantamentos fotográficos da maioria da superfície lunar, fornecendo o mapeamento essencial para o planejamento das missões Apollo.