2 stycznia 1959, po osiągnięciu prędkości ucieczkowej, Łuna 1 oddzieliła się od trzeciego stopnia rakiety nośnej. Do tej pory stopień ten podróżował wraz z Łuną. 3 stycznia, w odległości 113 000 km od Ziemi, z pokładu statku została uwolniona duża chmura gazowego sodu. Ten jarzejący pomarańczowy ślad gazowy, widoczny nad Oceanem Indyjskim, miał jasność około 6 i pozwalał astronomom śledzić ruch statku. Był też częścią eksperymentu badającego zachowanie się gazów w przestrzeni kosmicznej. Łuna 1 minęła powierzchnię Księżyca w odległości 5995 km, w dniu 4 stycznia 1959, po 34 godzinach lotu. Następnie weszła na orbitę okołosłoneczną położoną między orbitami Ziemi a Marsa. Bateria zasilająca wyczerpała się dzień po minięciu Księżyca.
Pomiary wykonane podczas misji, dostarczyły nowych danych o ziemskich pasach radiacyjnych, odkryły brak pola magnetycznego Księżyca i wykryły wiatr słoneczny, silny strumień plazmy jonowej płynący od Słońca poprzez przestrzeń międzyplanetarną.
Amerykańskie laboratoria JPL odebrały sygnały telemetrii Łuny 1, gdy ta minęła Księżyc.