Ähnlich wie der Flug von Kosmos 146 gehört auch der von Kosmos 154 zu den mysteriösesten Missionen der sowjetischen Raumfahrtgeschichte. Geplant war offensichtlich eine Wiederholung des Testprogramms von Kosmos 146. Also vermutlich ein Hochgeschwindigkeitswiedereintritt in die Erdatmosphäre aus einer simulierten Mondflugbahn. Planmäßig erreichte am 08.04.1967 das zweite Sojus 7 K-​L1P Raumschiff (Erzeugnis 11F91/P) mit einer Proton-​K 8K82 K mit Block-​D 11S824  von Baikonur seine Parkbahn um die Erde. Auch diesmal waren bei der Startvorbereitung zahllose mehr oder weniger gravierende Abweichungen von technischen Parametern und Vorgaben entdeckt worden. Immerhin waren „nur noch“ 70 Nacharbeiten erforderlich. Ohne Probleme zündete nach dem geglückten Start auch der angekoppelte Block-​D das erste Mal. Die zweite Zündung nach einem Tag im Orbit mißlang jedoch, weil die Steuerdüsenblöcke SOZ vorzeitig abgetrennt worden waren. Diese wurden aber benötigt, um den Treibstoff vor der Wiederzündung an den Tankboden anzupressen. Die Abtrennung erfolgte automatisch nach Brennschluß von Block-​D. Da bei dieser Mission aber eine zweite Zündung des Triebwerkes geplant war, hätte die Automatik vor dem Start deaktiviert werden sollen. Dies unterblieb aufgrund menschlichen Versagens. Die Kapsel trat schließlich nach zwei Tagen in die Erdatmosphäre ein und verbrannte. Das Ziel der Mission, erstmals bei einem sowjetischen kryogenen Raketentriebwerk die Wiederzündung nach mehr als 24-​stündigem Weltraumaufenthalt zu demonstrieren, war damit klar verfehlt worden.