Luna 3 odstartovala z kosmodromu Bajkonur 4. října 1959. Vyfotografovala přibližně 70 procent plochy oné strany Měsíce, kterou předtím lidské oko nikdy nespatřilo. Vzhledem k tomu, že se doba rotace Měsíce rovná době oběhu kolem Země (28 dní), je k ní totiž stále přivrácen jednou stranou.
Kosmická prvenství. Daleký sněhulák a měsíční bohyně |
Luna 3 měla průměr 120 a délku 130 centimetrů a hmotnost 278,5 kilogramu. Na obou koncích nesla kamery a orientační systémy zaměřené na Měsíc a Slunce. Velkou novinkou bylo také využití slunečních baterií na povrchu tělesa; předcházející stanice využívaly pouze energii z baterií. Sondu navíc aktivně stabilizovala soustava gyroskopů a trysek na stlačený plyn.
Sonda proletěla 7. října 1959 kolem Měsíce a poté, co se začala vracet směrem k Zemi, zahájila ve vzdálenosti 65 200 kilometrů od jeho povrchu fotografování. To skončilo 3200 kilometrů nad lunárním povrchem. Poté byl naexponovaný 35milimetrový film, chráněný proti působení kosmického záření, vyvolán podobně jako v klasické pozemské „černé komoře“. Procedura však probíhala v automatickém režimu a v mimořádně obtížných podmínkách stavu beztíže.
Poslední fázi představovalo odvysílání 29 získaných snímků do řídícího střediska. Signál vysílaný Lunou 3 byl však mimořádně slabý, a tak se zdařil až pátý pokus o předání snímků. Celkem se podařilo odvysílat na Zemi 17 obrázků. Jsou nízké kvality, což je způsobeno jednak slabým rádiovým signálem při přenosu, jednak špatnými světelnými podmínkami během fotografování.
