16 января 1973 г. автоматическая станция "Луна-21" с самоходным аппаратом "Луноход-2" на борту совершила посадку на поверхность Луны. "Луноход-2" приступил к выполнению программы научно-технических исследований и экспериментов.

Автоматическая станция "Луна-21" была запущена с космодрома Байконур 8 января 1973 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К". 12 января станция "Луна-21" вышла на орбиту искусственного спутника Луны с высотой в перицентре 90 км, в апоцентре 110 км, наклонением 62°.

С целью формирования условий для схода с орбиты 13 и 14 января были проведены коррекции окололунной орбиты, в результате чего перицентр орбиты был снижен до 16 км.

В заданное время корректирующее тормозная двигательная установка была включена на торможение, и 16 января 1973 года в 01 час 35 минут автоматическая станция "Луна-21" совершила посадку на восточной окраине Моря Ясности, внутри кратера Лемонье. Посадка станции произошла всего лишь в 3 метрах от края кратера диаметром около 40 метров, расположенного внутри кратера Лемонье.

После осмотра местности по телеизображению с Земли была выдана команда, и в 4 часа 14 минут "Луноход-2" съехал с посадочной ступени на поверхность Луны и приступил к выполнению программы научно-технических исследований и экспериментов.

В связи с выходом из строя навигационной системы лунохода при посадке экипажу лунохода пришлось ориентироваться по окружающей обстановке и Солнцу. При этом положение корпуса определялось косвенным путем по нагрузке на колеса.
Благодаря опыту, приобретенному при управлении первым луноходом, средняя скорость движения "Лунохода-2" значительно превышала среднюю скорость предшественника: 340 метров в час против 140 метров, а пройденное расстояние за лунный день доходило до 16,5 км.

На второй лунный день, 12 февраля 1973 года, луноход достиг ближайшего выступа береговой линии Залива Лемонье (холмы Встречные), исследовал предгорья Тавр, обследовал крупный кратер диаметром 2 км. 14 марта луноход вернулся в морскую зону и направился к разлому Борозде Прямой (длина 16 км, ширина 300 метров, глубина 40-80 метров). 11 апреля он подходил до расстояния 50 метров от края разлома. 13-18 апреля луноход обогнул разлом с юга и вышел на его восточную границу.

В третий лунный день (с 10 марта по 23 марта) "Луноход-2" проводил исследования в южной части кратера Лемонье. Трасса, по которой аппарат при этом двигался, начиналась на материке, пересекала предматериковый холмистый район, проходила вдоль южного побережья кратера и закончилась в 2,5 км от крупного тектонического разлома, находящегося в восточной части кратера Лемонье.

Четвертый лунный день (10 апреля — 22 апреля) работы самоходного аппарата был целиком посвящен изучению тектонического разлома, названного Бороздой Прямой.

На пятый лунный день, 9 мая 1973 года луноход, пытаясь выбраться из кратера, "зачерпнул тарелкой" солнечной батареи пыль со стенки кратера. Этого бы не произошло, если бы одна из телекамер располагалась сзади. В результате пыль налипла и на солнечную батарею, и на радиатор-охладитель. За счет запыления солнечной батареи упал зарядный ток, а из-за того, что пыль попала на радиатор, нарушился тепловой режим: за сутки температура в отсеке выросла до +47°С. В последний раз телеметрическая информация была принята с "Лунохода-2" 10 мая 1973 года.

Программа полета автоматической станции "Луна-21" и самоходного аппарата "Луноход-2" были успешно выполнены.