16 января 1973 года в 01 час 35 минут по московскому времени автоматическая станция «Луна-21» совершила мягкую посадку на поверхность Луны на восточной окраине Моря Ясности, внутри кратера Лемонье.
Станция доставила на Луну автоматический самоходный аппарат «Луноход-2», который продолжит исследования лунной поверхности, проводившиеся в Море Дождей аппаратом «Луноход-1». Вес «Лунохода-2» 840 килограммов.
На луноходе и посадочной ступени установлены Государственный флаг СССР, вымпелы с барельефом В. И. Ленина, изображением Государственного герба Советского Союза и надписью «50 лет СССР».
Для проведения исследований на поверхности Луны и управления движением самоходный аппарат оборудован научной аппаратурой, системами управления, радио- и телевизионной связью. В соответствий с советско-французским соглашением о сотрудничестве в изучении и освоении космического пространства в мирных целях на «Луноходе-2» установлен уголковый отражатель, изготовленный французскими специалистами и предназначенный для продолжения экспериментов по лазерной локации Луны.
«Луноход-2» приступил к выполнению намеченной программы исследований.
Во время работы «Лунохода-2» неоднократно включался установленный на его борту магнитометр; астрофотометр использовался для измерения светимости лунного неба в видимой и ультрафиолетовой частях спектра.
В течение всего лунного дня работал установленный на борту самоходного аппарата радиометр, включенный еще во время полета станции «Луна-21». Новые измерения характеристик космических лучей солнечного и галактического происхождения продлили непрерывный цикл подобных исследований, начатых самоходным аппаратом «Луноход-1» и продолженных автоматической станцией «Луна-19». Радиометр и специальный детектор рентгеновской спектрометрической аппаратуры «Рифма» отметили возрастание солнечной активности в конце лунного дня.
После завершения изучения района посадки самоходный аппарат удалился от посадочной ступени на 1050 метров. При этом испытывались ходовые качества автоматического аппарата в различных режимах движения и маневрирования, впервые выполнялся обход препятствий без остановки лунохода. Автоматический аппарат показал хорошие маневренность и управляемость на сложных участках поверхности.
Перед наступлением лунной ночи самоходный аппарат был установлен в положение, необходимое для проведения экспериментов по лазерной локации. Программа первого лунного дня выполнена полностью. 24 января в районе стоянки лунохода наступила лунная ночь, которая длилась до 7 февраля.
9 февраля «Луноход-2» приступил к обследованию района стоянки, выбранного в качестве второго участка для проведения исследований лунной поверхности.
Основной задачей научных исследований было комплексное изучение лунной поверхности переходной зоны «море — материк» в южной части кратера Лемонье. Программа работ включала стереоскопическую панорамную телевизионную съемку поверхности, измерение химического состава и физико-механических свойств лунного грунта, проведение магнитных измерений.
Обработка телевизионных панорам дала возможность изучить морфологические особенности участков местности, оценить их топографические характеристики и провести фотометрические исследования лунной поверхности по трассе движения самоходного аппарата. Сопоставление результатов фотометрических исследований с данными химического анализа позволит получить количественные характеристики физико-химических свойств поверхностного слоя лунного грунта в переходной зоне.
Одновременно исследовалось корпускулярное космическое излучение, рентгеновское излучение Солнца, а также измерялась освещенность лунного неба при различных положениях Солнца.