12 лютого 1961 р. радянськими вченими була запущена перша автоматична станція «Венера-1», яка через три місяці пройшла на відстані близько 100 тис. км від Венери і вийшла на орбіту супутника Сонця. Радіозв'язок з цією станцією припинився через вихід із ладу бортової апаратури на відстані від Землі більш 3 млн км. У грудні 1962 р. американська сторона послала в космос зонд «Маринер-2», що пройшов від Венери на відстані 35 тис. км. Встановлена на його борту апаратура (радіометр, магнітометр і т. ін.) показала, що магнітне поле планети невелике: магнітний момент Венери не перевищує 5—10% магнітного поля Землі. Також з'ясувалося, що радіовипромінювання формується в нижній частині атмосфери Венери, а не в іоносфері, як вважалося раніше.

Починаючи з 1965 р. на Венеру була послана ціла серія «Венер», які «крок за кроком» наближалися до поверхні планети, і в 1967 р. «Венера-4» здійснила спускання апарата, що відокремився перед входом автоматичної станції в атмосферу. Вперше в історії людства був проведений сеанс радіозв'язку, що тривав 93 хвилини. Був зроблений хімічний аналіз складу атмосфери, на різних рівнях виміряні її густина, тиск і температура. У результаті досліджень було встановлено, що вуглекислий газ є основним компонентом атмосфери, визначено ряд інших компонентів, була виміряна воднева корона Венери, отримано підтвердження про високий тиск і температуру в атмосфері планети. Цікаво й те, що через день після посадки «Венери-4» на відстані 4 тис. км від поверхні планети пролетів американський «Маринер-2», завданням якого було вимірювання водневої корони й дослідження проходження радіосигналу крізь атмосферу й іоносферу. Шляхом вимірювань обома космічними апаратами було встановлене існування менш щільної, ніж земна, водневої корони у Венери. Для верхніх областей Венери виявився характерним ряд особливостей, визначуваних фотохімією С02 з можливою участю в комплексі реакцій води й галогенів, в умовах атомних і молекулярних взаємодій і взаємодії із сонячним вітром.

З 1969 р. в атмосферу Венери був запущений ще ряд космічних станцій серії «Венера». Радянські вчені зробили корпуси апаратів міцнішими, і це дозволило апарату спочатку опуститися на рівень 19 км від поверхні планети, а потім і приземлитися на саму поверхню, де він пробув протягом 53 хвилин. Умови виявилися незвичайно суворими: тиск сягав 90 атмосфер, температура до 5000С, хмарний покрив, який огортає планету, виявився перенасиченим вуглекислим газом.

У 1972 р. була створена автоматична міжпланетна станція «Венера-8» нового покоління. Перед АМС стояло завдання провести нове й ширше коло дослідження атмосфери й поверхні Венери. Крім вимірювань атмосферного тиску, густини й температури були виміряні освітленість і вертикальна структура аерозольного середовища, у тому числі й шару хмар, визначені швидкості вітру на різних висотах в атмосфері за допплерівським зрушенням частоти радіопередавача, проведено гамма-спектроскопію поверхневих порід. Фотометричні вимірювання показали, що хмарний шар простягається до висот близько 40 км, були оцінені його оптична товщина й прозорість. Освітленість на поверхні денної сторони Венери виявилася достатньою для зйомки зображення місця посадки. Вперше отримано висотний профіль швидкості вітру, що характеризується зростанням швидкості від 0,5 м/с біля поверхні до 100 м/с біля верхньої межі хмар. За вмістом природних радіоактивних елементів (Уран,

Торій, Калій) поверхневі породи на Венері займають проміжне положення між базальтами й гранітами.

У лютому 1974 року на відстані 6 тис. км від Венери пройшов американський пролітний зонд «Маринер-10», оснащений телевізійною камерою, ультрафіолетовим спектрометром й інфрачервоним радіометром. Отримані телевізійні зображення хмарного шару використовувалися для дослідження динаміки атмосфери. За допомогою ультрафіолетового спектрометра була виміряна кількість гелію в атмосфері.

1975 рік став новим етапом у наукових космічних дослідженнях. Уперше станції нового покоління «Венера-9» і «Венера-10» стали штучними супутниками Венери, на які зі спускних апаратів передавалася, а потім ретранслювалася на Землю інформація. Уперше з планети були передані панорамні телевізійні зображення, виміряні густина, тиск, температура атмосфери, кількість водяної пари, проведені нефелометричні вимірювання часток хмар, вимірювання освітленості в різних ділянках спектра. Для вимірювань характеристик грунту крім гамма-спектрометра використовувався радіаційний вимірювач густини. Штучні супутники дозволили одержати телевізійні зображення хмарного шару, вивчити розподіл температури за верхньою межею хмар, спектри нічного світіння планети, провести дослідження водневої корони, багаторазове радіопросвічування атмосфери й іоносфери, вимірювання магнітних полів і навколопланетної плазми. Великий інтерес викликали грози й блискавки, що відбуваються в шарі хмар. Дані оптичних вимірювань показали, що енергетичні характеристики венеріанських блискавок у 25 разів переважають параметри земних блискавок.

Поверхня Венери виявилася подібною до гарячої сухої кам'янистої пустелі, із корінними породами, які виходять назовні та, найімовірніше, стали результатом зсувів у корі, що виявилося підтвердженням тектонічної активності на планеті.

У 1978 р. за допомогою АМС «Венера-11» і «Венера-12» досліджували хімічний склад нижньої атмосфери планети методами мас-спектрометрії, газової хроматографії, оптичної й рентгенівської спектроскопії. Була виміряна кількість азоту, оксид карбону, двоокису сульфуру, водяної пари, сірки, аргону, неону і визначені ізотопні відношення Аргону, Неону, Оксигену, Карбону, виявлені хлор і сірка в частинках хмар, отримані детальні дані щодо поглинання сонячного випромінювання на різних висотах в атмосфері, необхідні для вивчення теплового режиму. Були зареєстровані імпульси електромагнітного випромінювання, що вказують на існування електричних зарядів в атмосфері на зразок земних блискавок. У складі верхньої атмосфери були виявлені вуглекислий газ (96% за обсягом), азот (4%), оксид карбону, двоокис сульфуру, кисню практично не виявилося, вміст водяної пари коливався від 0,1—0,4% під шарами хмар до 15—30% вище