Toujours dans le cadre de la préparation du programme Apollo, il fallait par ailleurs disposer d'une cartographie complète et détaillée de notre satellite, les meilleures cartes établies depuis la Terre à l'aide des meilleurs télescopes ne montrant pas de détails inférieurs à 100 m. Ce fut l'objet du programme Lunar Orbiter.

Les 5 sondes de ce programme, d'un poids de 390 kg, se mirent toutes en orbite autour de la Lune avec succès, entre août 1966 et août 1967. Ce programme fut donc mené parallèlement au précédent. Mais leur mission était limitée, puisque chacune n'emportait qu'une provision de film permettant de prendre seulement 160 à 220 clichés. Car il s'agissait bien de véritables photographies et non plus d'images télévisées comme pour les Ranger ou les Surveyor. Ces images étaient ensuite analysées ligne par ligne à bord de la sonde et numérisées, chaque petit fragment étant traduit par un chiffre selon sa teinte. Reconstituées à Terre, électroniquement, ces photos avaient une définition extraordinaire permettant de distinguer des détails de 1 m seulement depuis une orbite à 100 km d'altitude.

Pour ne pas encombrer inutilement les parages de la Lune (leur présence aurait pu en effet constituer un danger pour les futurs vaisseaux Apollo), ces sondes furent remises à feu par télécommande, une fois leur mission terminée, et précipitées sur le sol oł elles s'écrasèrent, dans le courant de l'année 1968.

Les Lunar Orbiter 1 et 2 furent plus particulièrement chargés de sélectionner les sites les plus favorables pour un débarquement humain, à la fois par leur intérêt scientifique et leur facilité d'accès topographique. La sonde 3 effectua ensuite le choix final de 10 sites parmi ceux photographiés en détail par les précédentes. Les sondes 4 et 5, disponibles, purent alors être dévolues à une observation scientifique de la Lune. C'est ainsi que l'on obtint, par ailleurs, des clichés assez spectaculaires, comme ceux qui font découvrir le cratère Copernic en vue plongeante depuis 40 km d'altitude, ou celui qui, pour la première fois, montrait un lever de Terre au-dessus de l'horizon lunaire.