早期探测
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前苏联在1959年为纪念拍到月球背面的第一张照片发行的邮票。
1959年10月7日月球3号拍摄的影像，首次揭示了月球的背面。清晰可见的是莫斯科海（右上）与三胞胎的危海、界海和史密斯海（左中）。
当使用先进的杂讯去除科技（B）恢复月球背面的第一张影像（A）时，与美国国家航空航太局后来的LRO任务（C）相比，重要特征点清晰可见，可见特征点的清晰、一对一对照也很明显。
直到20世纪50年代末，人们对月球背面知之甚少。天平动周期性地允许对月球背面边缘的特征进行有限的一瞥，但仅占月球总表面的59%[14]。然而，这些特征都是从低角度观察到的，阻碍了有用的观察（事实证明，很难区分火山口和山脉）。背面剩下的82%的地表仍然未知，对其性质也有很多的猜测。
可以通过天平动看到的背面特征的一个例子是东方海，它是一个几乎横跨1,000 km（600英里），然而，直到1906年，德国天文学家尤利乌斯·海因里希·弗朗茨才将这一个特征命名。该盆地的真实性质是在20世纪60年代将校正后的影像被投影到球体上，才被发现的。1967年，月球轨道器4号拍摄了该盆地的详细照片。
在太空探索开始之前，天文学家们没有想到月球的背面会与地球可见的正面不同[15]。在1959年10月7日，苏联探测器月球3号拍摄了月球背面的第一张照片，其中18张是可分辨[16]，[15]覆盖了地球上看不见的三分之一的表面[17]。在对这些影像进行了分析之后，苏联科学院于1960年11月6日出版了第一本月球背面地图集[18][19]。它包含了500个可分辨的景观特征目录[20]。
在1961年，苏联根据月球3号的影像发布了第一个月球仪（比例为1:7007136000000000000♠13600000）[21][22]。
在1965年7月20日，另一个苏联探测器探测器3号（英语：Zond3）发表了25张质量非常好的月球背面照片[23]，分辩率远高于月球3号。特别是，他们发现了数百公里长的环形山链[17]。但是，出乎意料的是，没有一块能像肉眼从地球上看到的海那样的平原[15]。
在1967年，《月球背面的图集》的第二部分在莫斯科发表[24][25]。根据探测器3号的数据，该目录现在包括4,000个新发现的月球背面景观特征[17]。同年，第一张“完整的月球地图”（比例为1:7006500000000000000♠5000000[21]）并更新了完整的月球仪（比例为1:7007100000000000000♠10000000），呈现月球表面95%的特征[21]，在苏联被释放[26][27]。
由于苏联的太空探测器发现了月球背面的许多突出景观特征，苏联科学家为它们取了名字。这引起了一些争议，国际天文学联合会保留了其中许多名称，后来承担了命名该半球月球特征的角色。
进一步调查任务
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1962年4月26日，美国国家航空暨太空总署游骑兵4号尽管未能返回撞击前的任何科学数据，它成为第一艘撞击月球背面的太空船[28]。
美国国家航空暨太空总署于1966年至1967年发射的美国无载人月球轨道计画对月球背面进行了第一次真正全面而详细的测绘。对月球背面的大部分覆盖是由该系列的最后一个探测器月球轨道器5号提供的
1968年12月，在阿波罗8号任务中，人类首次直接看到了月球背面。太空人威廉·安德斯描述了他的观点如下：
“背面看起来像是我的孩子们玩了一段时间的沙堆。这一切都是一团糟，毫无章法可言，只是有很多凹凸和洞孔。”
1972年，阿波罗16号拍摄的月球背面，可见界海和史密斯海。可以看见坑洞比月球正面的多得多。
从阿波罗8号和阿波罗10号到阿波罗17号，所有24位太空人都看到过月球背面，并且有许多月球探测器拍摄了照片。太空船从月球后面经过时，都会与地球失去了直接的无线电通信，不得不等到轨道回到正面时才能传输资料。在阿波罗任务期间，服务舱的主发动机必须当太空船在月球后面时启动，在太空船再次出现之前，任务控制中心都因担心而非常的紧张。
身兼地质学家的太空人哈里逊·舒密特是最后一个登上月球的人，他曾积极游说阿波罗17号的著陆点位于月球的背面，目标是充满熔岩的火山口齐奥尔科夫斯基环形山（英语：Tsiolkowskiy）。舒密特雄心勃勃的提议还包括将一颗具有影像传输功能，有如现在的红外波段遥感气象卫星（英语：TIROS，Television Infrared Observation Satellite）的卫星以法夸尔-利萨如轨道安放在L2点，以便任务控制中心在太空船下降阶段与在太犉月球表面操作期间能维持视线的联系。美国国家航空暨太空总署以会增加风险和缺资金否决了这个计画。
随著中国国家航天局于2018年5月21日发射的鹊桥中继卫星，利用地月L2做为覆盖月球背面通信卫星的想法已经实现[29]。此后，它被用于嫦娥四号著陆器和于2019年初成功登陆月球背面的玉兔二号月球车之间与地球上的地面站之间的通信。L2还被提议做为推进剂库（英语：Orbital propellant depot）的理想位置[30]。
软著陆
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玉兔二号月球车在月球背面拍摄的嫦娥四号著陆器。
2019年1月3日，中国国家航天局的“嫦娥四号”实现了人类首次月球背面软著陆，并在月球背面部署了“玉兔二号”月球车[31]。该飞行器包括一个著陆器和装有低频无线电摄谱仪和地质研究工具[32]。2020年2月，中国天文学家首次报导了月球喷出物序列的高解析度影像，以及对其内部结构的直接分析。这些是基于“玉兔2号”月球车上月球探测雷达（LPR）的观测结果[33][34]。
嫦娥六号已经于2024年发射，着陆于月球背面的阿波罗环形山，采集样本并返回地球。
因为来自地球的干扰被月球阻挡，月球的背面为射电天文学提供了良好的环境。月球表面电磁学实验（LuSEE Night）著陆器预计最早将于2026年完成软著陆任务，美国国家航空暨太空总署和美国能源部正在开发一个位于远端的机器人天文台，用于量测宇宙早期历史的电磁波[35]。
由嫦娥四号拍摄的第一张月球背面全景图。