Старт АМС «Луна-3» c космодрома Байконур 4 октября 1959 года прозвучал салютом в честь второй годовщины начала космической эры.
Конечная масса последней ступени ракеты-носителя «Восток-Л» с АМС составляла 1553 кг, масса научной и измерительной аппаратуры — 435 кг, масса аппарата «Луна-3» - 278,5 кг.
В ходе полёта впервые в истории был на практике осуществлён гравитационный манёвр — орбита станции изменилась под воздействием гравитации Луны.
7 октября было впервые произведено фотографирование обратной стороны Луны с расстояния около 65 000 км, сеанс продолжался 40 минут. Изображения были переданы на Землю с помощью фототелевизионной системы.
Главная цель полёта – фотографирование обратной стороны Луны, была достигнута. Уже первый снимок, переданный АМС «Луна-3», показал, что обратная сторона сильно отличается от видимой. Здесь оказалось только два не самых больших лунных моря (тёмные участки), которые образовались миллиарды лет назад из застывшей древней базальтовой лавы.
Полученные снимки обеспечили Советскому Союзу приоритет в наименовании объектов на поверхности Луны. На карте появились кратеры Циолковский, Менделеев, Курчатов, Лобачевский, горный хребет Советский, Море Мечты, Море Москвы и другие объекты. После детального изучения снимков было обнаружено около 500 новых деталей, был составлен новый атлас спутника.