Автоматическая станция "Луна-21" по конструкции, составу оборудования и служебных систем аналогична автоматической станции "Луна-17". Изменения коснулись лишь самоходного аппарата.

В системе энергопитания "Лунохода-2" были установлены две доработанные аккумуляторные батареи суммарной разрядной емкостью 250 Ампер-часов. Кремниевые фотоэлементы солнечной батареи были заменены фотоэлементами из арсенида галлия.

На "Луноходе-2" была установлена усовершенствованная система управления лунохода "Каскад-СУ".

По просьбе экипажа лунохода была установлена третья верхняя телекамера на выносной штанге на уровне роста человека, что улучшило обзор во время движения по лунной поверхности. За счет улучшения канала передачи удалось передавать телевизионные изображения по ходу движения с темпом 5,76 секунды.
Состав научной аппаратуры также претерпел небольшие изменения. На "Луноходе-2" был установлен французский уголковый отражатель с крышкой, а также фотоприемник наземного лазерного пеленгатора "Рубин-1".

На луноходе и посадочной ступени были установлены Государственный флаг СССР, вымпелы с барельефом В. И. Ленина, изображением Государственного герба СССР и надписью "50 лет СССР".

Автоматическая станция "Луна-21" была запущена с космодрома Байконур 8 января 1973 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К". На трассе перелета к Луне 9 января были проведена коррекция траектории. В результате торможения (время работы двигателя - 236 секунд) 12 января станция "Луна-21" вышла на орбиту искусственного спутника Луны с высотой в перицентре 90 км, в апоцентре 110 км, наклонением 62° и периодом 1 час 18 минут 50 секунд.

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 корректирующе-тормозная двигательная установка (КТДУ) 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 с координатами точки посадки 26°03' с.ш. и 30°22' в.д. Посадка станции произошла всего лишь в 3 метрах от края кратера диаметром около 40 метров, расположенного внутри кратера Лемонье. Как и на "Луне-17" выключение двигателя произошло не по сигналу с гамма-высотомера "Квант-2", а по касанию лунной поверхности одной из опор посадочной платформы.

После осмотра местности по телеизображению с Земли была выдана команда, и в 4 часа 14 минут "Луноход-2" съехал с посадочной ступени КТ 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). Далее он исследовал предгорья гор 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. Протяженность борозды 15-16 км. Приблизившись в начале лунного дня к разлому, луноход перемещался на юг вдоль его "западного берега", а затем вышел на восточный склон и двинулся по нему в северном направлении. Глубина разлома в различных участках района исследований колебалась от 40 до 80 м. Общее расстояние, пройденное аппаратом за 4 лунных дня, составило 36 км 200 м. При движении аппарата по поверхности Луны проводились исследования физико-химических и магнитных свойств лунного грунта, было получено 93 панорамы, из них 18 стереопанорам при перемещении лунохода на 30-100 см. Проводились также сеансы лазерной локации с помощью французского уголкового отражателя и фотоприемника лазерного сигнала.

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.

В ходе выполнения программы работы "Луноход-2" прошел расстояние 37 км, то есть в 3,5 раза большее, чем путь, пройденный первым самоходным аппаратом "Луноход-1". За это время на Землю было передано 93 телефотометрических панорамы и около 89 тысяч снимков малокадрового телевидения. В ходе съемки получены стереоскопические изображения наиболее интересных особенностей рельефа, позволяющие провести детальное изучение их строения.

На основе съемки лунного ландшафта, в которую входило получение телевизионных панорам и снимков, а также данных о длине пройденного пути и положения аппарата на лунной поверхности, проводились геолого-морфологические и топографические исследований местности.

С помощью прибора "РИФМА-М" проводились измерения химического состава лунного грунта, с помощью которого были зафиксированы изменения химического состава поверхности, связанные главным образом с различиями горных пород в "морских" и "материковых" районах.

В результате магнитных измерений, проводимых непрерывно во время движения и на стоянках с помощью магнитометра СГ-70А, была зафиксирована неоднородность магнитного поля на поверхности Луны, что свидетельствует о процессах индукции токов в Луне под действием меняющихся межпланетных полей.

Регулярные лазерно-локационные измерения расстояний до отражателя "Лунохода-2", которые проводились на телескопе Крымской астрофизической обсерватории в течение нескольких месяцев, дали статистическую точность определения расстояния между источником импульсов и установленным на Луне отражателем +40 см.

В периоды лунных дней с борта самоходного аппарата выполнялись непрерывные измерения интенсивности корпускулярного излучения солнечного и галактического происхождения. При этом радиационная обстановка в районе Луны была спокойной.

Астрономический эксперимент, выполненный на "Луноходе-2" с помощью астрофотометра для определения светимости лунного неба в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, показал, что светимость лунного неба значительно выше, чем предполагали ученые. Такой результат свидетельствовал о том, что Луна окружена слоем пылевых частиц, сильно рассеивающих солнечный свет и отраженный свет Земли.

Станцией "Луна-21" и "Луноходом-2" были установлены рекорды, зарегистрированные и подтвержденные дипломами FAI:

• мировой рекорд общего расстояния, пройденного самодвижущимся аппаратом класса "С" на поверхности Луны;
• мировой рекорд максимальной массы автоматического самодвижущегося аппарата на поверхности Луны.