Следующим этапом в осуществлении программы биологических исследований в космосе явились эксперименты, проведённые на трассе Земля — Луна — Земля. Опыты на этой трассе сделали возможным изучение (при отсутствии экранирующего влияния магнитных полей и атмосферы Земли) биологических эффектов ионизирующих излучений радиационных поясов Земли, а также тяжёлой компоненты первичного космического излучения и протонов солнечных вспышек. Исследования осуществлялись при полётах советских автоматических станций серии «3онд» с сентября 1968 по октябрь 1970. На борту станций размещали черепах, дрозофил, лук репчатый, семена растений, разные штаммы хлореллы, кишечной палочки и др. биологические объекты. Суммарная доза облучения во всех полётах была примерно одинаковой. После возвращения на Землю черепахи были активны: много двигались и ели. Исследования некоторых показателей крови (количество лейкоцитов, эритроцитов, гемоглобина) и ЭКГ не выявили существенных отличий у животных, побывавших в космосе, по сравнению с контрольными. Полёт стимулировал рост и развитие семян пшеницы, ячменя, лука, появление в них хромосомных нарушений. Эти изменения, как правило, не отличались от сдвигов, зарегистрированных в биологических объектах, побывавших на низких околоземных орбитах. Относительно большое число перестроек хромосом отмечалось у семян сосны, ячменя, увеличение числа мутантов — у хлореллы.
Комплекс экспериментов с различными биообъектами (семена, высшие растения, икра лягушек, микроорганизмы и т. д.) был проведён на советском ИСЗ «Космос-368» (1970), ККС «Союз» и первой в мире орбитальной станции «Салют» (1971); западногерманский эксперимент с медицинскими пиявками — на высотных ракетах США и Франции (1970), совместный итало-американский эксперимент с лягушками — на спутнике OFA (1970); микробиологический эксперимент на поверхности Луны был выполнен экипажем американского космического корабля «Аполлон-16» (1972).
В результате проведённых биологических исследований на высотных и баллистических ракетах, ИСЗ, ККС и др. космических летательных аппаратах установлено, что человек может жить и работать в условиях космического полёта сравнительно продолжительное время. Показано, что невесомость снижает переносимость организмом физических нагрузок и затрудняет реадаптацию к условиям нормальной (земной) гравитации. Важный результат биологических исследований в космосе — установление того факта, что невесомость не обладает мутагенной активностью, по крайней мере в отношении генных и хромосомных
Следующая важнейшая проблема К. б. (как и космической медицины) — разработка биологических основ и принципов обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в условиях длительного пребывания в космосе. Лишь на этой основе может быть создана эффективная система жизнеобеспечения (см.
Экспериментальное подтверждение отсутствия жизни на Луне (основано на изучении лунного грунта) — первый важный результат в области следующего раздела К. б. —
Первая публикация о результатах советских биологических экспериментов в космосе была сделана в 1956. Материалы по биологическим и медицинским исследованиям издаются в СССР в сборниках трудов института медико-биологических проблем министерства здравоохранения СССР, в журнале АН СССР «Космические исследования», в многотомном издании «Проблемы космической биологии», в журналах «Космическая биология и медицина», «Авиация и космонавтика» и др., за рубежом — в периодических изданиях «Aerospace Medicine», «Bioscience», «Rivista di Medicina Aeronauticae Spaziale», «Space Flight», «Space Life Sciences».