И вот наступил качественно новый этап: в 1965 году "Венера-3" впервые достигла поверхности планеты, а 1967 году "Венера-4" впервые осуществила плавный спуск в ее атмосфере и провела непосредственные физико-химические исследования. АМС "Венера-4" несла спускаемый аппарат, который отделился перед входом автоматической станции в атмосферу. АМС сгорела в плотных слоях атмосферы, а спускаемый аппарат на парашюте плавно опустился в плотные слои атмосферы. Первый в истории человечества сеанс межпланетной радиосвязи продолжался 93 минуты. Были измерены в зависимости от высоты плотность, давление и температура атмосферы, проведен химический анализ состава атмосферы. Спускаемый аппарат был рассчитан на давление до 20 атмосфер, и передача данных прекратилась до посадки на твердую поверхность Венеры. Было установлено, что углекислый газ является основной компонентой атмосферы (не менее 95%), получены пределы содержания ряда других компонент, однозначно установлено существование высоких давлений и температур в атмосфере планеты. На пролетном аппарате измерена водородная корона Венеры, проведены наблюдения заряженных частиц и микрометеоритов.

В 1967 г. через день после посадки "Венеры-4" мимо планеты на расстоянии 4000 км пролетел американский "Маринер-5", с помощью которого было исследовано прохождение радиосигнала через атмосферу и ионосферу (радиопросвечивание) и проведены измерения водородной короны. По данным радиопросвечивания были получены зависимости температуры и давления от высоты в пределах 90-35 км и концентрация электронов ионосфере.

Существование менее плотной, чем земная, водородной короны у Венеры было обнаружено измерениями на космических аппаратах "Венера-4" и "Маринер-5". Для верхних областей Венеры характерен ряд особенностей, определяемых фотохимией CO2 c возможным участием в комплексе реакций воды и галогенов, в условиях атомных и молекулярных взаимодействий и взаимодействия с солнечным ветром.

Основная цель запуска в 1969 году двух станций "Венера-5" и "Венера-6" - увеличение проникновения в атмосферу Венеры, повышение точности измерений химического состава, параметров атмосферы и соответствующих им высот. Корпус спускаемого аппарата был несколько упрочен, что позволило провести измерения подоблачной атмосферы на более низких высотах (до 19 км над поверхностью планеты).

Спускаемый аппарат новой конструкции был создан и вошел в состав станции "Венера-7", которая достигла окрестностей планеты в декабре 1970 года. Ее аппаратура проводила измерения не только во время спуска во всей толще атмосферы, но и в течение 53 минут на самой поверхности планеты. Условия оказались необыкновенно суровыми: давление достигало 90 атмосфер, а температура - до 5000 С; в облачном покрове, окутывающем планету, очень много углекислого газа и мало кислорода. Получены данные о характере пород поверхностного слоя Венеры.

На повестку дня встала задача разработки венерианской автоматической станции, способной проводить более широкий круг научных исследований. Такой автоматической станцией нового поколения стала АМС "Венера-8". С помощью спускаемого аппарата станции "Венера-8" в 1972 году были проведены разносторонние исследования атмосферы и поверхности Венеры. Кроме измерений атмосферного давления, плотности и температуры были измерены освещенность и вертикальная структура аэрозольной среды, в том числе и облачного слоя, определены скорости ветра на различных высотах в атмосфере по доплеровскому сдвигу частоты радиопередатчика, проведена гамма-спектроскопия поверхностных пород. Фотометрические измерения показали, что облачный слой простирается до высот около 40 км, оценена его оптическая толщина и прозрачность; освещенность на поверхности дневной стороны Венеры оказалась достаточной для съемки изображения места посадки. Впервые получен высотный профиль скорости ветра, который характеризуется возрастанием скорости от 0,5 м/сек у поверхности до 100 м/сек у верхней границы облаков. По содержанию естественных радиоактивных элементов (уран, торий, калий) поверхностные породы на Венере занимают промежуточное положение между базальтами и гранитами.

В феврале 1974 года на расстоянии 6000 км от Венеры прошел американский пролетный зонд "Маринер-10", на котором были установлены телевизионная камера, ультрафиолетовый спектрометр и инфракрасный радиометр. Полученные телевизионные изображения облачного слоя использовались для исследования динамики атмосферы. С помощью ультрафиолетового спектрометра обнаружены и измерены количества гелия в атмосфере.

Станции нового поколения "Венера-9" и "Венера-10", достигшие планеты в октябре 1975 года, стали первыми искусственными спутниками Венеры, а их спускаемые аппараты совершили мягкую посадку на освещенной стороне планеты. На станциях второго поколения информация со спускаемых аппаратов передавалась на орбитальный аппарат, а затем ретранслировалась на Землю. Это привело к значительному увеличению количества получаемой информации. Впервые были переданы панорамные телевизионные изображения с другой планеты, измерены на спускаемых аппаратах плотность, давление, температура атмосферы, количество водяного пара, проведены нефелометрические измерения частиц облаков, измерения освещенности в различных участках спектра. Для измерений характеристик грунта помимо гамма-спектрометра использовался радиационный плотномер. Искусственные спутники позволили получить телевизионные изображения облачного слоя, распределение температуры по верхней границе облаков, спектры ночного свечения планеты, провести исследования водородной короны, многократное радиопросвечивание атмосферы и ионосферы, измерение магнитных полей и околопланетной плазмы. Большое внимание привлекло обнаружение гроз и молний в слое облачности на планете. Данные оптических измерений показали, что энергетические характеристики венерианских молний в 25 раз превосходят параметры земных молний.

На панорамах, составленных из телевизионных изображений, переданных со спускаемого аппарата "Венеры-9" видны выходы коренных пород; развалы камней могут быть результатом смещений в коре и служить подтверждением тектонической активности на Венере. В целом поверхность Венеры - это горячая сухая каменистая пустыня.

В 1978 году по межпланетной трассе прошли и достигли заданной цели еще два посланца - "Венера-11" и "Венера-12", основной задачей которых было детальное исследование химического состава нижней атмосферы методами масс-спектрометрии, газовой хроматографии, оптической и рентгеновской спектроскопии. Были измерены количества азота, окиси углерода, двуокиси серы, водяного пара, серы, аргона, неона и определены изотопные отношения аргона, неона, кислорода, углерода, обнаружены хлор и сера в частицах облаков, получены детальные данные по поглощению солнечного излучения на различных высотах в атмосфере, необходимые для изучения его теплового режима. Специальным приемником были зарегистрированы импульсы электромагнитного излучения, указывающие на существование электрических зарядов в атмосфере наподобие земных молний. На пролетных аппаратах были установлены ультрафиолетовые спектрометры для исследования состава верхней атмосферы.

Основная составляющая атмосферы Венеры - углекислый газ (96% по объему), азот (4%), окись углерода, двуокись серы, кислорода практически нет, содержание водяного пара, по-видимому, колеблется от 0,1 - 0,4% под облачными слоями до 15-30% выше них. Наземными спектроскопическими исследованиями найдены также молекулы HCl.

Температура атмосферы Венеры у поверхности планеты (на уровне, соответствующем радиусу 6052 км) 735о К, давление 9 МПа, плотность газа в 60 раз больше, чем в земной атмосфере.

Атмосфера Венеры до 50 км от поверхности сохраняется близкой к адиабатической, а выше 50 км температурный градиент уменьшается приблизительно вдвое. Суточные колебания температуры у поверхности 1 К, а на высоте 50-80 км достигают 15-20 К. )