在蘇聯實施的月球表面軟著陸經歷了5次失敗的同時，美國也完成了月球表面首次軟著陸的準備工作，這使得蘇聯要想在月球探測這一領域保持領先，就必須在很短的時間內再進行一次嘗試。
1966年1月31日，「月球」-9號滿載著希望啟程。該探測器由閃電號運載火箭發射到219×167千米、傾角51.6度的地球停泊軌道，在繞地球飛行不到一周後，火箭第三級再次點火工作，將「月球」-9號送入奔月軌道，並在三天半後與月球交會。2月1日，在距離月球23.3萬千米處，經過對探測器位置的計算後，進行了48秒的點火以進行軌道中段校正。在此後的2天中，「月球」-9號直接飛向月球，並以每秒4度的轉速旋轉，以達到溫控要求，並保證合適的地球重力場以及後來的月球重力場對探測器的作用。
進入月球轉移軌道後的「月球」-9號, 總質量為1583千克，其中：登月艙約100千克，登月前將拋掉的儀器艙重約300千克，登月設備163千克，結構重量約200千克，推進劑800千克。「月球」-9號總長約2.7米。
「月球」-9號的登月艙呈卵形，直徑約58釐米，內部安裝有減振裝置，上半部裝的電視設備，直徑6毫米、長10毫米的氣體放電輻射計數器；下半部裝有化學電池、熱控系統和通信設備。在月面著陸時，登月艙在「月球」-9號反推發動機與月面接觸前的一瞬間從月球9號中彈出並落在月面，艙內的減振裝置可以保護艙內儀器。著陸後，4個花瓣形裝置向上打開，可以起到穩定作用，同時它們也作為天線系統的組成部份使用；然後伸出4個75米長的鞭形天線，用於與地球接收站進行通信。包括打開的花瓣形天線在內，登月艙最大直徑達160釐米，包括伸展的天線在內，高度達112釐米。
登月艙的通信由「花瓣」和伸出的鞭形天線來完成。在飛行階段和登月的最初幾分鐘，信號發送和接收均由隱藏在「花瓣」內的天線完成，「花瓣」打開後，由4個鞭形天線承擔信號發送和接收任務。鞭形天線向地球發送了包括經校正的黑白標準的月表照片等信息，以及在軌道上獲得的月表部份區域的立體照片。
「月球」-9號中部在兩側裝有2個可拋離的控制儀器艙。其中一個裝的是星光導航設備，另一個裝有無線電高度表及相關電路。這兩個儀器艙在反推發動機點火前的瞬間被拋掉，以減少重量，降低速度。這兩儀器艙的結構非常輕，以至當火箭上升並達到很高的高空時，必須降低艙內壓力。
「月球」-9號上部的儀器艙與發動機系統相連。發動機系統由球形的鋁合金氧化劑箱、圓環形鋁合金的燃料箱以及燃燒室組成。發動機系統的主要任務包括2個：（1）在中段飛行時實施航向校正；（2）軟著陸過程中提供反推力（制動）。發動機系統的壓縮氮氣瓶用於姿態控制。與蘇聯以往慣用太陽能電池不同，「月球」-9號探測器的動力來源於化學電池，大部份電池裝在著陸前被拋掉的儀器艙中。
「月球」-9號在著陸前一小時或距月球8300千米時，直接對準月球，然後將反推發動機的軸線垂直對準月面，在探測器系統經過全面檢測後，啟動自動著陸系統程序，當高度表批示距月面為75千米時，著陸系統先後發出兩條指令，（1）拋掉儀器艙，（2）反推發動機點火。探測器開始從2.6米/秒減速。抵達月面之前，一個5米長的探針從探測器中部伸展到反推發動機的下面，以確定反推發動機的關機和拋出登月艙的時機。探針觸到月面的瞬間，探測器系統將關閉發動機並拋出登月艙。發動機以5.5-6.0米/秒的速度撞在月球表面，而登月艙將落到發動機的附近。
「月球」-9號最終安全地在月球上降落，著陸後約4分鐘，月球9號登月艙打開「花瓣」，開始向地球發送信號。7小時後，向地球傳送了首張月球表面的全景照片。由固定鏡頭和可轉動鏡頭組成的電視攝像機開始工作，旋轉鏡頭可以在垂直機轉動以進行掃描；同時還可在水平面轉動進行掃描，圖片信號被傳輸到地面站，傳輸每幅圖片需要100分鐘。
「月球」-9號的相機重1.5千克，功耗2.5瓦，呈直徑8釐米、長25釐米的圓柱形，它與水平面形成16度夾角，以確保視場直接對準月球表面，圖像覆蓋範圍為向上11度、向下18度。 相機的焦距為1.5米到無窮遠，在1.5米距離被觀測物體時，可分辨清楚1.5-2毫米的物體。
「月球」-9號在2月7日由於電池耗盡而停止向地球傳送信息。後來蘇聯公布了詳細的分析研究成果。這次探測的更重要成果是回答了這樣一個重要問題，即月球表面足以支撐100千克的載荷而不會產生其它明顯的效應，也就是說，太空人登月不必擔心會陷入月壤之中。 （編輯：張廣平）