登月舱是登月任务的核心所在，它呈卵形，直径约58厘米，质量为99千克。包含有用于在月表着陆的减震装置，可以保护舱内仪器。上半部分为电视照相机设备，相机重1.5千克，功耗2.5瓦，镜头可在上11度、下18度范围内调节，最大分辨可达1.5-2毫米；下半部则是化学电池、热控制器、通讯系统。着陆后，4个花瓣形装置向上打开，可以起到稳定作用，同时它们也作为天线系统的组成部份使用；然后伸出4个75厘米长的鞭形天线，用于与地球接收站进行通信。当完全展开时包括打开的花瓣形天线在内，登月舱最大直径达160厘米，高度达112厘米。

登月舱的通信由“花瓣”和伸出的鞭形天线来完成。在飞行阶段和登月的最初几分钟，信号发送和接收均由隐藏在“花瓣”内的天线完成，“花瓣”打开后，由4个鞭形天线承担信号发送和接收任务。鞭形天线向地球发送了包括经校正的黑白标准的月表照片等信息，以及在轨道上获得的月表部份区域的立体照片。

在月面着陆时，登月舱在月球9号反推发动机与月面接触前的一瞬间从月球9号中弹出并落在月面，舱内的减振装置可以保护舱内仪器。

月球9号的相机重1.5千克，功耗2.5瓦，呈直径8厘米、长25厘米的圆柱形，它与水平面形成16度夹角，以确保视场直接对准月球表面，图像覆盖范围为向上11度、向下18度。 相机的焦距为1.5米到无穷远，在1.5米距离被观测物体时，可分辨清楚1.5-2毫米的物体。

旋转镜头可以在垂直机转动以进行扫描，同时还可在水平面转动进行扫描。

月球9号中部在两侧装有2个可抛离的控制仪器舱，其中一个内装有星光导航设备，另一个装有无线电高度表及相关电路，它的总质量为300千克。仪器舱被设计成可以抛离的形式，可在反推发动机点火前的瞬间被抛掉，以减少重量，降低速度。大部分的电池都在仪器舱内。这两仪器舱的结构非常轻，以至当火箭上升并达到很高的高空时，必须降低舱内压力。

月球9号上部的仪器舱与发动机系统相连。发动机系统由球形的铝合金氧化剂箱、圆环形铝合金的燃料箱以及燃烧室组成。发动机系统的主要任务包括2个：（1）在中段飞行时实施航向校正；（2）软着陆过程中提供反推力（制动）。发动机系统的压缩氮气瓶用于姿态控制。与苏联以往惯用太阳能电池不同，月球9号探测器的动力来源于化学电池，大部份电池装在着陆前被抛掉的仪器舱中。

在苏联实施的月球表面软着陆经历了5次失败的同时，美国也完成了月球表面首次软着陆的准备工作，这使得苏联要想在月球探测这一领域保持领先，就必须在很短的时间内再进行一次尝试。

1966年1月31日11点41分（莫斯科时间14点41分），月球9号从拜科努尔航天中心发射升空，满载着希望启程。该探测器由闪电号运载火箭发射到219×167千米、倾角51.6度的地球停泊轨道，在绕地球飞行不到一周后，火箭第三级再次点火工作，将月球9号送入地月转移轨道，并在三天半后与月球交会。2月1日，在距离月球23.3万千米处，经过对探测器位置的计算后，进行了48秒的点火以进行轨道中段校正。在此后的2天中，月球9号直接飞向月球，并以每秒4度的转速旋转，以达到温控要求，并保证合适的地球重力场以及后来的月球重力场对探测器的作用。

1966年2月1日格林尼治时间19点29分（莫斯科时间22点29分），月球9号在距月球8300千米时，直接对准月球，然后将反推发动机的轴线垂直对准月面，在探测器系统经过全面检测后，启动自动着陆系统程序，当高度表批示距月面为75千米时，着陆系统先后发出两条指令，（1）抛掉仪器舱，（2）反推发动机点火。探测器开始从2.6米/秒减速。抵达月面之前，一个5米长的探针从探测器中部伸展到反推发动机的下面，以确定反推发动机的关机和抛出登月舱的时机。探针触到月面的瞬间，探测器系统将关闭发动机并抛出登月舱。发动机以5.5-6.0米/秒的速度撞在月球表面，而登月舱将落到发动机的附近。

月球9号最终于在2月3日格林尼治时间18时45分30秒（莫斯科时间21时45分30秒）安全地在月球上降落，着陆后250秒，月球9号登月舱打开“花瓣”，开始向地球发送信号。之后，由固定镜头和可转动镜头组成的电视摄像机开始工作，拍摄着陆区附近的黑白照片。因为此时的太阳才刚刚从月球上的地平线升起，所以开始时的几张照片拍得很不理想。15分钟后拍下的第一张黑白照片经过在总计过去了8个多小时后终于分7次被发送到了地球的地面站。传输每幅图片需要100分钟。

月球9号在1966年2月7日由于电池耗尽而停止向地球传送信息。后来苏联公布了详细的分析研究成果。这次探测的更重要成果是回答了这样一个重要问题，即月球表面足以支撑100千克的载荷而不会产生其它明显的效应，也就是说：月球表面是坚固的，人类完全可以降落在月球上，宇航员登月不必担心会陷入月壤之中。