Nach den Erfolgen mit den ersten sowjetischen Sputniks war das nächste Ziel für den Kopf des sowjetischen Raumfahrtprogramms, Sergej P. Koroljow, klar: der Mond. Kein anderer Himmelskörper übte seit Jahrtausenden eine solche Faszination auf die Menschen aus. Mit dem Anbruch des Raumfahrtzeitalters bestand nun tatsächlich die Möglichkeit, den Trabanten der Erde aus der Nähe zu untersuchen. Auch die USA hatten sich, kaum das der Start der ersten eigenen Satelliten gelungen war, diesem Ziel zugewandt. Die ersten Versuche unternahmen die um den Erfolg konkurrierenden Streitkräfte USAF und US Army. Noch bevor sich in dem ungeheuer ambitionierten Projekt ein Erfolg einstellte, überflügelte die Sowjetunion einmal mehr die USA. Koroljow hatte eine ganze Serie von zunehmend komplexeren Mondsonden konzipiert. Ausgehend vom simplen E-​1  Modell sollten drei zunehmend komplexere Typen systematisch den Mond erkunden. Am 20.03.1958 erhielt Koroljow die Freigabe für sein Projekt. Doch die ersten drei Starts im Herbst 1958 scheiterten an der unzuverlässigen Trägerrakete. Dabei versagte nicht einmal die neuentwickelte Oberstufe, bei deren Design man vielfältige Probleme zu überwinden gehabt hatte. Unerwartet führten Treibstoffschwingungen („Pogo-​Effekt“) immer wieder zum strukturellen Versagen des Grundstufenpakets. Da die Bahnmechanik lediglich einmal im Monat einen Start zum Mond zuließ, brachte jeder der Fehlversuche einen enormen Druck mit sich. Konnten doch die USA nun kontern. Aber Koroljow hatte Glück. Der vierte Startversuch gelang. Zwar war die Kursabweichung nach dem Start so groß, daß der Mond um knapp 6.000 km verfehlt wurde. Messungen aus dem Mondumfeld fielen damit aus. Dennoch konnte eine Reihe wissenschaftlich durchaus interessanter Meßwerte empfangen werden. Und vor allem hatte die Sowjetunion klar gemacht, wo der Schwerpunkt des aktuellen Raumfahrtprogramms lag. In den USA, wo inzwischen die NASA das ursprünglich militärische Pioneer Programm übernommen hatte, war man sich darüber im klaren, daß einfache Messungen selbst aus einem Mondorbit nicht genügen würden, um im Wettlauf ins All aufzuholen. Jetzt wurden Pläne für die fotographische Erkundung des Mondes forciert. Doch auch hier sollte die Sowjetunion das Rennen machen.
Ähnlich wie bei der Entwicklung von Objekt D, bekannter als Sputnik 3, waren aber die Herausforderungen bei der Entwicklung einer Sonde für die fotographische Monderkundung so groß, daß sich die Entwicklung hinzog. Außerdem mußte erst einmal die notwendige Bahneinschußgenauigkeit für eine echte Mondmission nachgewiesen werden. Also setzte Koroljow eine Wiederholung der Luna 1 Mission an. Diesmal sollte erreicht werden, was beim ersten Versuch mißlungen war. Luna 2 sollte auf dem Mond aufprallen und bis dahin Meßdaten übermitteln. Nur geringe Änderungen im Vergleich zu den vorangegangenen Missionen wurden eingeführt. Zur wissenschaftlichen Ausrüstung von Luna 2 zählten ein Ausleger mit einem Flux-​Gate Magnetometer, ein Tscherenkow-​Zähler, zwei Mikrometeoriten-​Zähler, vier Ionen-​Fallen, ein Natrium-​Iod Szintillations-​Zähler und mehrere Geiger-​Zähler unterschiedlicher Bauart und Anordnung. Weitere Instrumente waren in der letzten Raketenstufe, die in geringem Abstand der Sonde auf gleichem Kurs folgte, untergebracht: ein Tscherenkow-​Zähler, jeweils ein Natrium-​Iod bzw. Zäsium-​Iod Szintillations-​Zähler sowie das Natriumdampf-​Experiment. Letzteres war dazu bestimmt, auf dem Weg zum Mond eine Wolke aus leuchtend ionisiertem Natrium zu bilden. Dazu erhitzte eine Thermit-​Ladung den Natrium-​Vorrat. Propagandistisch besonders herausgestellt wurde noch ein besonderes „Experient“. Luna 2 beförderte zwei kugelförmige Objekte von 7,5 bzw. 12 cm Durchmesser zum Mond. Diese waren aus einer Vielzahl fünfeckiger Edelstahl-​Segmente zusammengesetzt, in die das sowjetische Staatswappen bzw. der Text СССР Сентябрь 1959  (dt. UdSSR September 1959) eingraviert war. Beim Aufprall auf dem Mond sollte eine Explosivladung gezündet werden, um diese Segmente weiträumig zu verteilen.
Nachdem ein erster Start der verbesserten Luna E-​1 A am 18.06.1959 gescheitert war, diesmal war das Inertial-​Lenksystem ausgefallen, gelang am 12.09.1959 der zweite Versuch. Wiederum ohne Zwischenschaltung einer Parkbahn war das Ziel, den Mond im Direktstartverfahren zu erreichen. In der Sowjetunion verfolgten mehrere Antennenkomplexe die Bahn der „zweiten kosmischen Rakete“, wie die Sonde offiziell hieß. Dank eines innovativen Verfahrens unter Zuhilfenahme der Interferometrie konnte die Bahn recht genau verfolgt werden. Diesmal schien der Kurs der Rakete präzise genug für einen Aufprall in relativer Nähe zum Zentrum der Mondscheibe zu liegen. Angesichts dessen war man relativ freigiebig mit Informationen, die eine Bahnverfolgung auch im Ausland zuließen. Dabei baute man durchaus auf die Hilfe des britischen Jodrell Bank Radio Observatory, das schon in der Vergangenheit seine überlegene Technik bei der Verfolgung kosmischer Objekte eindrucksvoll demonstriert hatte. Die Bahnberechnungen erlaubten es, den Ort und vor allem den Zeitpunkt des Aufpralls auf dem Mond recht präzise vorherzusagen. Da beim Aufschlag mit hoher Geschwindigkeit erhebliche kinetische Energie abgebaut wurde, hatte man berechnet, daß am Aufprallort ein Lichtblitz und eine Staubwolke entstehen müßten. Am 13.09.1959 um 21:02 UTC beobachtete der britische Astronom Patrick Moore in der Nähe des Schneckenbergs bei 11,2° Nord und 4,97° Ost einen Lichtblitz. Mindestens eine weitere Beobachtung bestätigte unabhängig von ihm diese Koordinaten. Bis die Funksignale verstummten, hatte Luna 2 kontinuierlich Meßwerte zur Erde übertragen. Diese ließen eine Reihe interessanter Erkenntnisse zu. So hatte man extra für Luna 2 die Empfindlichkeit des Magnetometers nochmals gesteigert. Dennoch gelang kein Nachweise eines Magnetfeldes am Mond. Sollte der Mond also überhaupt über ein eigenes Magnetfeld verfügen, mußte dieses extrem schwach sein. Schwächer als ein Zehntausendstel des irdischen. Ebenfalls gelangen einige der frühesten Messungen der Kosmischen Strahlung im tiefen Raum. Die Szinillations– und Geiger-​Zähler zeigten außerhalb des Erdmagnetfelds ein konstantes Strahlungsniveau, das sich auch bis zum Mondaufprall nicht veränderte. Das Fehlen von Strahlungsgürteln um den Mond konnte als weiteres Indiz dafür interpretiert werden, daß dieser über kein Magnetfeld verfügte. Wohl die bedeutendste Entdeckung war aber vermutlich ein konstanter Plasmafluß außerhalb des irdischen Einflußbereiches. Dieser „Sonnenwind“ war zwar schon zuvor von einigen Wissenschaftlern vorhergesagt worden. Doch die Daten der Ionen-​Fallen von Luna 1 und Luna 2 bestätigten dies nun praktisch und verhalfen der Theorie zum Durchbruch.
Ob das letzte Experiment von Luna 2, das Ausbringen der mitgeführten Gedenkplaketten auf der Mondoberfläche, erfolgreich ausgeführt werden konnte, ist zweifelhaft. Den Aufprall mit rund 3,3 kms^–1  dürften die beiden Kugeln kaum überlebt haben. Vermutlich bildeten sie zusammen mit dem Rest der etwa 390 kg schweren Sonde und dem umliegenden Mondgestein einen eher unspektakulären Schlackehaufen.
Dennoch erlangten sie noch einige Bekanntheit. Bei seinem Besuch in den USA vom 15. bis 27.09.1959 überreichte der sowjetische Staatschef Nikita S. Chruschtschow seinem Gastgeber, US Präsident Dwight D. Eisenhower, eine Replik der Kugeln. Das Foto des etwas gequält lächelnden Eisenhower ging um die Welt…
Die Mondbucht, in der Luna 2 vermutlich auf dem Mond aufgeschlagen war, wurde zu Ehren des historischen Ereignisses im Jahr 1970 als Sinus Lunicus benannt.