Przebieg misji Start sondy nastąpił w dniu 18 lipca 1965 roku z kosmodromu Bajkonur w Kazachstanie. 20 lipca 1965 roku w czasie przelotu sondy obok Księżyca w odległości 11 570–9220–9960 km (między godzinami 01:24 i 02:23 UTC) umieszczone w niej urządzenia fotograficzne uzyskały 25 obrazów odwrotnej strony Księżyca o bardzo dobrej jakości. Kolejne fotografie wykonywane były co 135 sekund. Ekspozycja fotografii trwała 1/100 lub 1/300 sekundy. Obserwacją objęty został przede wszystkim obszar dotychczas zupełnie niezbadany. Łącznie sfotografowano 19 mln km² powierzchni Księżyca, z czego ponad 10 mln km² nie sfotografowanych przez sondę Łuna 3. Przekaz obrazów na Ziemię rozpoczął się 29 lipca 1965 roku, gdy sonda była oddalona od Ziemi o 2,2 mln km. Przekazywanie każdego obrazu trwało 34 minuty. Obrazy te ponownie przesłano w dniu 23 października 1965 roku, gdy sonda znajdowała się w odległości 31,5 mln km od Ziemi. Powtórnie przesłane obrazy miały bardzo dobrą jakość. Na uzyskanych zdjęciach zidentyfikowano ponad 1000 kraterów. Ponad 600 z nich miało średnicę od 5 do 20 km, około 200 – średnice od 20 do 50 km, a tylko kilkanaście – średnice przekraczające 100 km. Wiele z tych obiektów (nawet stosunkowo niewielkich) otoczonych jest jasnymi plamami i smugami.