Впервые в мире облёт Луны и возвращение СА со второй космической скоростью на Землю были осуществлены при запуске пятого корабля 7К-Л1 № 9 («Зонд-5») — 15 сентября 1968 года. Корабль стартовал в беспилотном варианте, в качестве «пассажиров» на нём находились черепахи, которые после семисуточного полёта были возвращены на Землю целыми и невредимыми. 18 сентября был совершён облёт Луны. Впервые была сфотографирована Земля с расстояния 85 тысяч километров. Посадка СА произведена по баллистической траектории в акватории Индийского океана. Причины промаха в посадке СА крылись в ошибке датчиков включения корректирующей двигательной установки на торможение. Специалисты группы управления и разработчики, находящиеся в Евпатории, используя единственный исправный оптический прибор — солнечный датчик, в течение практически 20 часов непрерывно выдавали последовательные разовые радиокоманды, «раскачивая» аппарат с одного борта на другой, чтобы результирующая тяга двух двигателей была направлена в сторону Земли, поочерёдно включая малые двигатели ориентации УРМД системы исполнительных органов правого и левого борта корабля, постепенно набирая корректирующий импульс, обеспечивший попадание корабля в необходимый «коридор» высот при входе в атмосферу Земли и приземление в заданном расчётном районе.
Вечером 21 сентября 1968 года космический аппарат приводнился в акватории Индийского океана. К приводнившемуся аппарату устремились барражировавшие рядом российские и американские корабли. Поскольку средства эвакуации СА находились только на специально оборудованном советском корабле, процесс закончился тралением и подъёмом СА на палубу корабля-хозяина. Выжившие черепахи были благополучно доставлены в Москву и поступили в распоряжение учёных. По некоторым сведениям, они живы до сих пор.
В сообщении ТАСС от 23 сентября 1968 года была дана высокая оценка проведённой работе:
«Автоматическая станция “Зонд-5”, облетев Луну, успешно возвратилась на Землю со второй космической скоростью.
Как уже сообщалось, 15 сентября 1968 года в Советском Союзе была запущена автоматическая космическая станция “Зонд-5”. После семисуточного полёта по трассе Земля — Луна — Земля станция возвратилась на Землю.
Впервые в мире советский космический аппарат, облетев Луну, успешно возвратился на Землю со второй космической скоростью, доставив большой объём научной информации.
В 18 часов 54 минуты московского времени 21 сентября 1968 года автоматическая космическая станция вошла в атмосферу Земли со второй космической скоростью около 11 тысяч метров в секунду и в 19 часов 08 минут приводнилась в расчётном районе в акватории Индийского океана.
Приводнение было совершено в точке с координатами 32 градуса 38 минут южной широты и 65 градусов 33 минуты восточной долготы. Движение станции в атмосфере на участке аэродинамического торможения проходило по баллистической траектории.
Спуск станции после аэродинамического торможения выполнялся с применением парашютной системы. Автоматическая станция вместе с научными приборами 22 сентября была поднята на борт советского корабля поисково-спасательной службы.
При полёте автоматической станции “Зонд-5” были осуществлены облёт Луны, научные исследования космического пространства в районе Луны, возвращение на Землю со второй космической скоростью и мягкая посадка в заданном районе.
В процессе полёта отрабатывались системы и агрегаты станции для маневрирования на траектории и возвращения на Землю. Системы управления полётом станции и радиотехнические средства измерения параметров её траектории обеспечили решение поставленных задач.
Программа научных исследований космического пространства и комплексных испытаний бортовых систем и агрегатов автоматической станции “Зонд-5” полностью выполнена.
Успешный полёт автоматической станции “Зонд-5” по трассе Земля — Луна — Земля, возвращение её в заданный район является выдающимся достижением советской науки и техники. Решена новая научно-техническая проблема и открыты широкие перспективы дальнейшего исследования космического пространства и планет Солнечной системы автоматическими космическими станциями с возвращением материалов исследований на Землю.
