Станция «Луна-21» доставила на Луну автоматический самоходный аппарат «Луноход-2» весом 840 кг, который продолжил исследования лунной поверхности, проводившиеся в Море Дождей «Луноходом-1» в 1970—1971 гг. На «Луноходе-2» и посадочной ступени станции «Луна-21» установлены Государственный флаг СССР, вымпелы с барельефом Владимира Ильича Ленина, изображением Государственного Герба СССР и надписью «50 лет СССР».
Методика исследования лунной поверхности с помощью «Лунохода-2» была разработана с учетом опыта, накопленного при работе «Лунохода-1». Детальное изучение отдельных участков поверхности сочеталось с маршрутными исследованиями по всей трассе движения аппарата.
Для проведения исследований на поверхности Луны «Луноход-2» был оборудован научной аппаратурой, а также необходимыми системами управления, аппаратурой для радио- и телевизионной связи, системой энергопитания, системой терморегулирования и т. п.
16 января в 4 часа 14 минут «Луноход-2» сошел по трапу на поверхность Луны, а затем прошел по лунной поверхности 20— 30 м с тем, чтобы проверить ходовую часть аппарата и системы управления и получить телевизионные изображения посадочной ступени станции и лунного рельефа.
Анализ телевизионных панорам района посадки показал, что станция «Луна-21» совершила посадку на вал кратера диаметром около 30 м, расположенного внутри кратера Лемонье. На валу зтогр кратера были проведены измерения химического состава и механических свойств лунного грунта. (Этот участок комплексного изучения поверхности можно рассматривать как первую опорную точку вдоль трассы «Лунохода-2».)
Далее передвижная научная лаборатория осуществила движение по намеченному маршруту в направлении на юго-восток, при этом были проведены испытания ходовых качеств аппарата в различных режимах перемещения и маневрирования и впервые выполнялись маневры по обходу препятствий без остановки лунохода. В конце этого движения луноход вышел к сравнительно «молодому» кратеру диаметром около 13 м (вторая опорная точка).
В течение первого лунного дня неоднократно включался магнитометр, проводились измерения светимости лунного неба в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра при помощи астрофотометра. Постоянно работал радиометр, включенный еще во время полета станции «Луна-21». Регистрация радиометром космических лучей солнечного и галактического происхождения продолжила практически непрерывный цикл подобных исследований, начатых аппаратом «Луноход-1», а затем проведенных станцией «Луна-19». Радиометр, а также специальный детектор прибора РИФМА-М отметили возрастание солнечной активности в конце первого лунного дня.
С 24 января по 7 февраля 1973 г. в районе стоянки «Лунохода-2» была лунная ночь. Во второй лунный день (8—22 февраля) основной задачей было изучение переходной зоны «море — материк».
Работа началась с комплексных научных исследований района кратера, рядом с которым аппарат остановился на исходе предыдущего лунного дня. Проводились измерения намагниченности пород на валу и склонах кратера, в зоне выбросов из него, а также в местах, удаленных от кратера на расстояния до 30—40 м. При этом луноход двигался от кратера по четырем взаимно перпендикулярным направлениям, а затем снова возвращался к нему. Такая схема движения аппарата была выбрана для повышения точности магнитных измерений и для наиболее полного изучения физико-механических свойств и химического состава лунного грунта.
Затем «Луноход-2» продолжил движение в южном направлении к горному массиву Тавр, достигнув ближайшего выступа береговой линии залива Лемонье, и в ночь на 18 февраля приблизился к кратеру диаметром около 2 км, расположенному в предгорном районе. Луноход обошел кратер по внешнему склону его вала с юго-западной стороны. Условия движения были крайне тяжелыми: крутизна склонов на отдельных участках достигала 25°, а пробуксовка колес — 80 %.
При движении в пределах «морского» участка трассы удалось оценить относительное количество так называемых вторичных кратеров, образовавшихся в результате удара о поверхность выбросов из более крупных. Число вторичных кратеров размерами от 0,5 до 2 м не превышает 0,25% от всех кратеров этого размера. Толщина слоя реголита, судя по глубине свежих кратеров, колеблется от 1 до 6 м, что хорошо согласуется с ранее полученными данными.
При переходе в предматериковую холмистую зону было отмечено уменьшение плотности малых кратеров в 2—3 раза по сравнению с плотностью в «морской» зоне. В пределах холмистой равнины мощность реголита достигает местами 10 м.
За два лунных дня «Луноход-2» прошел путь, равный 11 067 м.