Kolejne dwie misje księżycowe z serii Pioneer miały już inne założenia, zaś same próbniki były zupełnie inaczej skonstruowane. Miały one stożkowaty kształt, wysokość 58 (Pioneer 3) i 51 (Pioneer 4) i średnicę podstawy 25 (Pioneer 3) i 23 centymetrów (Pioneer 4), masa kolejno: 5,87 i 6,1 kg. Zbudowane zostały z pozłacanego włókna szklanego w celu zapewnienia przewodności elektrycznej.
Antenę stanowił kadłub pojazdu, razem z bolcem na szczycie stożka. Zasilanie stanowiła bateria rtęciowa, zaś w skład aparatury pokładowej wchodziły: nadajnik radiowy (950,06 MHz), dwa liczniki Geigera – Mullera i układ spustowy systemu fotoelektrycznego. Przeznaczeniem tych sond był jedynie przelot koło Księżyca, a więc osiągnięcie drugiej prędkości kosmicznej i wejście na orbitę wokółsłoneczną. Jako rakietę nośną wybrano Juno II, wywodzącą się od pocisku balistycznego średniego zasięgu PGM – 19 Jupiter, nosiciela głowic nuklearnych.
Pioneer 3 wystartował 6 grudnia 1958 roku o godzinie 05:45:12 UTC. I tym razem cel nie został osiągnięty. Z powodu źle dobranych ilości paliwa nastąpiło przedwczesne wyłączenie się silnika rakiety (3,7 sek. przed czasem), toteż osiągnięte przyspieszenie było niewystarczające. Ponadto zły był kąt wyjścia – zamiast oczekiwanych 68 stopni wyniósł 71 stopni. Tym samym rakieta znalazła się jedynie na trajektorii balistycznej z apogeum na wysokości 102360 kilometrów. Niefortunny próbnik zakończył swój żywot nazajutrz o godzinie 19:51 UT nad Afryką po 36 godzinach i 6 minutach lotu. Ponad dobę przesyłał jednak dane, dzięki którym odkryto drugi, zewnętrzny Pas Van Allena okalający Ziemię.
Sukcesem zakończyła się jednak misja bliźniaczego Pioneera 4. Sfinansowany przez NASA i Departamenty: Obrony i Armii (podobnie zresztą jak poprzednik) wystartował w dniu 3 marca 1959 roku o godzinie 17:11:00 UTC. Zła passa została przełamana, rakieta Juno II osiągnęła zakładaną prędkość i w efekcie nazajutrz po starcie, o 22:25 UTC próbnik minął Księżyc w odległości 58983 km od powierzchni z prędkością 7230 km/h, a następnie wszedł na orbitę heliocentryczną (zresztą razem z cylindryczną osłoną czwartego stopnia nosiciela) o parametrach: 0,98 AU (perycentrum), 1,13 AU (apocentrum), 29,9 stopni (inklinacja) z okresem obiegu 398 dni. Stało się to jednak dwa miesiące po Łunie 1. Przelot był zbyt odległy, aby udało się przeprowadzić eksperyment z czujnikami fotoelektrycznymi (wymagana odległość dla tego badania wynosiła ok. 30 000 km), ale kontakt z sondą utrzymywano do 82h po minięciu Srebrnego Globu. Główny cel został osiągnięty i lot Pioneera 4 uznano za sukces.
