۹ آگوست ۱۹۷۶، برنامه فضایی شوروی آخرین مأموریت خود را به ماه پرتاب کرد. لونا ۲۴ یک مأموریت بازگشت نمونه رباتیک و سومین برنامه با این مأموریت بود.
مرحله فرود فضاپیما مجهز به دوربین تلویزیونی، مانیتورهای تشعشع و دما، تجهیزات مخابراتی و بازوی ۹۰ سانتی‌متری با دکل حفاری برای جمع‌آوری نمونه خاک ماه بود.
فضاپیما توسط موشک پروتون-کا از پایگاه فضایی بایکونور قزاقستان بلند شد و ۹ روز بعد روی سطح ماه فرود آمد. کاوشگر در یک دشت تاریک به نام Mare Crisium یا دریای بحران فرود آمد و ۱۷۰ گرم نمونه خاک جمع‌آوری کرد.
تحت فرمان کنترل زمینی، فرودگر بازوی نمونه خود را مستقر کرد و سر حفاری خود را حدود دو متر به داخل خاک مجاور هل داد. سپس نمونه به‌راحتی در کپسول برگشت کوچک ذخیره شد و پس از تقریباً یک روز در ماه، در ۲۲ آگوست به زمین بازگردانده شد.
پس از فرود، نمونه‌ها به مؤسسه ژئوشیمی و شیمی تحلیلی آکادمی علوم روسیه در مسکو تحویل داده شد. بخشی از خاک مأموریت لونا ۲۴ در اختیار مؤسسه زمین‌شناسی آکادمی علوم چک قرار گرفت و ۰/۹۱ گرم در اختیار دانشمندان بریتانیایی قرار گرفت.
دکتر مایکل دوک، دانشمند ناسا، در طول سفر خود به مسکو سه ماه پس از بازگشت لونا ۲۴ به زمین، سه گرم از نمونه را با ۰/۵ گرم از نمونه‌های تحویلی توسط فضانوردان آپولو مبادله کرد.
انبوهی از اطلاعات علمی حاصل از تجزیه و تحلیل نمونه‌های خاک توسط یک تیم بین‌المللی از دانشمندان در نشریه شوروی در سال ۱۹۸۰ خلاصه شد که شامل بیش از ۳۰ مقاله علمی بود.
نمونه‌های خاک لایه‌های متعددی از مواد با رنگ‌های متنوع و ساختاری را نشان دادند که احتمالاً تاریخ پیچیده زمین‌شناسی منطقه را با ذخایر متعدد مواد در طول زمان منعکس می‌کند.
گویی خاک بازیابی‌شده در رسوبات متوالی قرار گرفته بود. سپس دانشمندان دریافتند که نمونه‌های لونا ۲۴ حاوی آثار کوچکی از آب در حد ۰/۱ درصد از جرم آن است.
سن سنگی نمونه‌ها در حدود ۳۰۰ میلیون سال تعیین شد.
