Wenige Tage nach dem tragischen Tod von Sergej P. Koroljow, startete am 31.01.1966 von Baikonur eine Molnija-​M 8K78M mit Block-​L. Es war der inzwischen zwölfte Versuch, eine Sondes des Typs E-​6  weich auf dem Mond landen zu lassen. Ein Projekt, dem sich Koroljow mit großer Energie gewidmet hatte. Angesichts der Vielzahl von Rückschlägen, die das Programm hatte verkraften müssen, sorgten sich nun viele Beteiligte vor drastischen Strafen, sollte sich der Erfolg nicht bald einstellen. Nur Koroljows Geschick und Einfluß war es zuletzt zu verdanken gewesen, daß das E-​6  Programm fortgeführt werden konnte. Für diese Mission stand erstmals eine Sonde bereit, die nach Plänen aus Koroljows OKB-​1  im OKB-​301  von Semjon A. Lawotschkin gefertigt worden war. Dort führte man zudem einige Verbesserungen ein, die es rechtfertigten, das neue Modell nun E-​6 M zu nennen. Tatsächlich war der Beginn der Luna 9 Mission vielversprechend. Die Molnija-​M 8K78 M Rakete brachte die Sonde zunächst auf eine Parkbahn um die Erde. Von hier aus erfolgte der Start der Block-​L Fluchtstufe in Richtung Mond. Am 01.02.1966 um 19:29 UTC fand ein Kurskorrekturmanöver statt. Der Mond wurde am 03.02.1966 erreicht. In 8.300 km Abstand erfolgte noch eine letzte Ausrichtung der Sonde, bevor rund 75 km über der Mondoberfläche das Landeradar die Zündung des Bremstriebwerks auslöste. An diesem Punkt war die letzte E-​6  Mission im Dezember 1965 gescheitert. Doch diesmal überstand die Sonde auch diese kritische Phase. Unmittelbar vor dem Aufschlag von Luna 9 auf der Mondoberfläche wurde die 82 kg schwere Kapsel abgetrennt und ging nahebei nieder. Eine schockabsorbierende Hülle und die konstruktive Auslegung des Landers selbst dämpften den mit etwa 22 kmh^–1  erfolgten Aufprall. Die Landekapsel ging dank dieses Verfahrens außerhalb der Einflußsphäre des Landetriebwerks nieder. Die Koordinaten der Landung wurden mit 64 °22′ West und 7 °08′ Nord bestimmt. Um 18:46 UTC registrierten die Sensoren das Erreichen der Mondoberfläche, woraufhin die Gummi-​Landedämpfer abgeworfen wurden. Nur 4:10 min später klappten vier blütenblattförmige Schutzsegmente aus, die jetzt die Sensoren, Antennen und die Kamera des Landers freigaben. Gleichzeitig stabilisierten sie die Lage der Sonde. Einige Stunden später, bereits am 04.02.1966 begann die erstmalige Übertragung von TV-​Bildern von der Oberfläche des Mondes. Die Kamera konnte 360° Panoramen bei einem vertikalen Blickwinkel von 36° aufzeichnen. Bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 1 Zeile pro Sekunde dauerte die Übermittlung eines 6.000 Zeilen Panoramas also 100 Minuten. Interessanterweise konnte die Signale von britischen Radioobservatorium Jodrell Bank, das schon frühere sowjetische Raumsondenmissionen verfolgt hatte, aufgefangen werden. Damit waren die sensationellen Bilder im Fernsehen und in den Zeitungen Großbritannien bereits zu einem Zeitpunkt zu sehen, zu dem die Sowjetunion sie noch gar nicht veröffentlicht hatte! Die Qualität des ersten Panoramas war nicht sehr gut, da sich die Sonne zum Aufnahmezeitpunkt nur 3° über dem Horizont befunden hatte. Luna 9 sendete weitere Mondpanoramen bei Sonnenständen von 7°, 14°, 27° und schließlich 41° über dem Horizont sowie Meßdaten, bis am 06.02.1966 um 22:55 UTC die Batterien der Landekapsel erschöpft waren. Insgesamt fanden sieben Funkübermittlungen mit einer Gesamtlänge von 8:05 h statt. Außerdem wurden, wie schon während des Fluges zum Mond, Messungen der Korpuskularstrahlung unternommen. Die eigentlich geplanten Untersuchungen des Mondgesteins mit einem Gammastrahlen-​Spektrometer mußten hingegen ausfallen. Wegen Problemen mit dem Instrument war dieses noch vor dem Start deaktiviert worden. Mit dieser Mission war es der Sowjetunion nochmals gelungen, aktiv in den Wettlauf zum Mond einzugreifen. Tatsächlich lag das sowjetische Mondprogramm 1966 aber bereits hoffnungslos hinter dem amerikanischen zurück. Koroljow war es nicht vergönnt gewesen, wenigstens diesen letzten Triumph mitzuerleben.