20 сентября была вновь включена двигательная установка, которая обеспечила торможение и сход "Луны-16" с орбиты. Высота над поверхностью Луны на начало торможения составила 13,28 км, а на момент выключения двигателя — 2,45 км. После выключения двигателя аппарат в течение 43 секунд совершал свободное падение. На высоте 600 м от поверхности вновь начал работать основной двигатель станции в режиме регулируемой тяги в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией от доплеровского измерителя скорости "ДА-018" и радиовысотомера "Вега". На высоте 20 м скорость станции была снижена примерно до 2 м/с. Здесь основной двигатель был выключен и дальнейшее торможение происходило с помощью двигателей малой тяги. На высоте около 2 м по команде от гамма-высотомера "Квант" они были выключены, и 20 сентября в 5 часов 18 минут по времени Гринвича автоматическая станция "Луна-16" совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия, в точке с координатами 0°41′ ю. ш. 56°18′ в. д. Отклонение от расчетной точки посадки составило 1,5 км.
После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров были предприняты попытки получить изображения места бурения. Всего было три включения телефотометров. Из-за недостаточной освещенности изображения места бурения получено не было. На двух изображениях была видна Земля в виде светлого пятна.
Затем по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору фунта, включая бурение фунта до глубины 35 см, причем без разворота по азимуту. Взятые образцы фунта были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы.
Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 21 сентября. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа. При снижении вертикальной скорости до 250 м/с на высоте 14,5 км была введена в действие парашютная система, и 24 сентября 1970 года спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 80 км юго-восточнее Джезказгана.
Главным результатом полета "Луны-16" стала первая в мире доставка автоматическим аппаратом на Землю образцов лунного фунта. Общая масса колонки фунта, доставленного "Луной-16", составила 101 г.
После вскрытия капсулы в Институте геохимии и аналитической химии АН СССР имени Вернадского выяснилось, что бур заполнен сыпучим лунным грунтом — реголитом, представляющим собой разнозернистый темно-серый (черноватый) порошок, который легко формуется и слипается в отдельные рыхлые комки. Эта особенность существенно отличает грунт (реголит) от земной бесструктурной пыли; по этому свойству он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв.
Следовало закрепить успех, однако лунные трассы вновь продемонстрировали, сколь несовершенна создаваемая людьми космическая техника.
Автоматическая станция "Е-8-5" № 407, получившая официальное название "Луна-18", была запущена с космодрома Байконур 2 сентября 1971 года. На трассе перелета к Луне 4 и 6 сентября были выполнены коррекции траектории.
При подлете к Луне 7 сентября 1971 года "Луна-18" вышла на орбиту искусственного спутника Луны. Однако из-за методической ошибки включение тормозной двигательной установки прошло на 15 секунд раньше расчетного времени, в результате чего параметры окололунной орбиты после первого торможения сильно отличались от расчетных.
Для обеспечения посадки станции в расчетный район Луны должны были быть проведены две коррекции, причем после второй коррекции высота орбиты в периселении должна была составлять 16–17 км. С целью экономии топлива было принято решение ограничиться одной коррекцией орбиты, которая была проведена вне зоны радиовидимости. Положение осложнилось тем, что в результате включения двигателя вместо расчетных высот 16,9 км и 123,9 км — фактически были получены 93,4 км и 180,3 км. С целью исправления траектории в зоне радиовидимости была проведена дополнительная коррекция
11 сентября 1971 года была включена двигательная установка для схода с орбиты. Однако в результате ненормальной работы двигателя стабилизации получился перерасход горючего, и станция упала на Луну.
Несмотря на провал очередной миссии, 14 февраля 1972 года была запущена автоматическая станция "Луна-20" ("Е-8-5" № 408). 18 февраля она была переведена на круговую селеноцентрическую орбиту, а 19 августа на эллиптическую орбиту с максимальной высотой над поверхностью Луны 100 км и минимальной высотой 21 км.
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°. При скорости и перегрузках, вдвое превышающих допустимые, в момент посадки аппарат опрокинулся на грунтозаборное устройство, что привело к его поломке, разгерметизации приборного отсека и отказу дециметрового передатчика.
