Автоматический комплекс по доставке грунта с Луны "Луна-24" был создан на базе станций "Луна-16" и "Луна-20", но с некоторыми доработками. В частности, в три раза уменьшена заправка водой системы обеспечения теплового режима торового приборного отсека и снят высотомер малых высот "Квант".

Основным же отличием стала замена грунтозаборного устройства. Новое буровое грунтозаборное устройство ЛБ09 состояло из буровой головки, буровой штанги с колонкой и механизмом забора грунта, механизма подачи буровой головки, механизма перегрузки керна и контейнера для укладки керна. В процессе бурения грунт поступает во внутреннюю полость штанги, где расположена гибкая трубка - грунтонос и механизм, который подхватывает грунт и удерживает его в виде столбика на протяжении всего процесса бурения. По окончании бурения грунтонос с грунтом извлекается из внутренней полости штанги и наматывается на барабан, размещенный в специальном контейнере. Затем этот контейнер помещается в герметизируемую капсулу спасаемого аппарата возвратной ракеты.
Максимальная глубина бурения составляла 2,3 метра.

В связи с жесткой установкой ГЗУ на корпусе посадочной ступени из состава аппаратуры были исключены телефотометры и светильники. Конструкция возвратной ракеты и спасаемого аппарата остались без изменения за исключением герметизируемой капсулы для размещения грунта, чей диаметр был увеличен с 68 до 100 мм.

Автоматическая станция "Луна-24" была запущена с космодрома Байконур 9 августа 1976 года в 18 часов 4 минуты 12 секунд с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К". Выход на траекторию полета к Луне был осуществлен с использованием промежуточной околоземной орбиты.

С целью обеспечения выхода станции в заданную точку окололунного пространства 11 августа на трассе перелета к Луне была проведена коррекция траектории.

При подлете к Луне 14 августа было проведено торможение станции, в результате чего "Луна-24" перешла на круговую селеноцентрическую орбиту с параметрами: высота над поверхностью Луны 115 км, наклонение к плоскости лунного экватора 120°, период обращения вокруг Луны 1 час 59 минут.
С целью формирования условий для схода с орбиты 16 и 17 августа проводились коррекции траектории движения, в результате чего станция стала совершать полет по эллиптической орбите с максимальной высотой над поверхностью Луны 120 км и минимальной высотой 12 км.

18 августа в заданное время был включен двигатель посадочной платформы и спустя 6 минут в 9 часов 36 минут станция "Луна-24" совершила мягкую посадку в юго-восточном районе Моря Кризисов, в точке с координатами 12° 45' с. ш. и 62° 12' в. д.

Через 15 минут после проверки состояния бортовых систем станции, определения ее положения на лунной поверхности по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство.

В процессе забора грунта до глубины 120 см использовался режим вращательного бурения, а далее происходила смена способов бурения - с вращательного на ударно-вращательный. Общая глубина бурения составила 225 см. В связи с тем, что оно производилось с наклоном, общее заглубление составило около 2 метров.

Возвратная ракета станции "Луна-24" с образцами лунного грунта стартовала к Земле 19 августа в 8 часов 25 минут.

Продолжительность обратного перелета составила 84 часа. 22 августа она приблизилась к Земле со второй космической скоростью. В расчетное время за 8 часов до входа спасаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты.

На высоте 15 км была введена в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершил посадку в 200 км юго-восточнее Сургута. Программа полета станции "Луна-24" была выполнена полностью.