Przebieg misji Łunochod 2 był w założeniu kontynuacją badań, jakie wcześniej na Księżycu przeprowadził pierwszy tego typu zdalnie sterowany pojazd. Tym razem za rejon badań rosyjscy specjaliści wybrali dno starego, mocno już zniszczonego krateru Le Monnier usytuowanego na wschodnim skraju Mare Serenitatis (Morza Jasności). Dzięki zastosowaniu ulepszonych rozwiązań w napędzie zakładano, że pojazd przejedzie większą odległość niż Łunochod 1, naukowcy pragnęli bowiem dokładnie poznać budowę dna tak starego utworu księżycowego jakim był wspomniany krater.
Sonda Łuna 21 wystrzelona została na parkingową orbitę okołoziemską dnia 8 stycznia 1973, po paru okrążeniach naszej planety została nakierowana na trajektorię w kierunku Księżyca. Satelizacja sondy na orbicie Księżyca miała miejsce niecałe 4 dni później. Próbnik osiągnął mniej kołową orbitę od Łuny 17, ale dzięki temu 13 i 14 stycznia peryselenium zostało obniżone do 16 km. Po wykonaniu 40 orbit, dnia 15 stycznia Łuna 21 po odpaleniu silnika nakierowana została bezpośrednio na powierzchnię i weszła w tryb wolnego opadania. Na wysokości 750 m komputer pokładowy uruchomił główne silniki hamujące, które działały do osiągnięcia przez próbnik wysokości 22 m.