Por ser el astro más cercano a la Tierra, la Luna ha sido el objetivo de numerosas misiones espaciales. En 1958 fracasaron las primeras sondas lunares enviadas por Estados Unidos y la URSS. La nave rusa Luna 2, lanzada el 12 de septiembre de 1959, alcanzó la superficie lunar 36 horas más tarde. Desde entonces, ambos países efectuaron lanzamientos a la Luna con resultados diferentes. Las primeras fotografías de la cara oculta de la Luna fueron tomadas por el Luna 3, enviado al espacio por la URSS el 4 de octubre de 1959. Uno de los lanzamientos con éxito más espectaculares fue la misión realizada por el Ranger 7, enviado al espacio por Estados Unidos el 28 de julio de 1964. Antes de alcanzar la superficie de la cara visible de la Luna, llegó a transmitir 4.316 imágenes de la superficie lunar por televisión, desde altitudes entre 1.800 km y 300 m, proporcionando las primeras imágenes detalladas a la humanidad.
El 31 de enero de 1966, la URSS lanzó el Luna 9, que consiguió realizar el primer aterrizaje sobre la Luna, sin ser destruido por el impacto. Le siguió la nave estadounidense Surveyor 1, el 30 de mayo de ese año, que también realizó un aterrizaje suave en la superficie lunar, y envió a la Tierra 11.150 fotografías del satélite.
Además de la información científica recogida, gran parte del interés del programa espacial de Estados Unidos se centraba en desembarcar un hombre en la Luna. Con este propósito, se llevaron a cabo varios vuelos posteriores no tripulados, como los realizados por el Surveyor 3 y Surveyor 5 en 1967. Ambas naves, después de un vuelo de dos días, enviaron a la Tierra un gran número de imágenes de televisión de la superficie lunar. El Surveyor 3 tomó muestras del suelo de la Luna que fueron examinadas por cámaras de televisión. El Surveyor 5 realizó análisis químicos de la superficie lunar, utilizando técnicas de dispersión de partículas alfa; éste fue el primer análisis sobre el terreno de un cuerpo extraterrestre.
Otros satélites lanzados para preparar el alunizaje fueron los del programa Lunar Orbiter. Entre 1966 y 1967, cinco de estos satélites dieron vueltas alrededor de la Luna obteniendo miles de fotografías. Con este material se fueron seleccionando los lugares de alunizaje previstos en el programa Apolo.
Son dignos de mención dos proyectos lunares no tripulados de la URSS. La nave Luna 16 lanzada el 12 de septiembre de 1970, se posó sobre la Luna e introdujo unos 113 g de suelo lunar en un recipiente sellado, que fue lanzado de vuelta a la Tierra y recuperado por los soviéticos. El Luna 17, lanzado el 10 de noviembre de 1970, alunizó suavemente y desplegó un vehículo automático de exploración lunar, el Lunokhod 1, que iba equipado con una cámara de televisión y baterías solares. Durante diez días lunares, este artefacto controlado desde la Tierra recorrió 10,5 km de la superficie lunar, transmitiendo imágenes por televisión y datos científicos. El Luna 21 repitió la experiencia en 1973, colocando en la Luna el vehículo Lunokhod 2.
La sonda Clementine, lanzada por Estados Unidos en febrero de 1994, continuó la exploración lunar. Orbitó la Luna durante tres meses y obtuvo los primeros datos fiables de su topografía utilizando altímetros láser. A partir de unas señales de radar enviadas por la sonda, un grupo de científicos estadounidenses anunció, a finales de 1996, la posible existencia de agua helada en un cráter. En enero de 1998 la sonda Lunar Prospector de la NASA entró en órbita alrededor de la Luna. En marzo de ese mismo año la nave encontró pruebas bastante fiables de la existencia de una cantidad significativa de agua en los polos del satélite. La Lunar Prospector también investigó el campo gravitacional y el campo magnético de la Luna.
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