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.
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.
Макет автоматической межпланетной станции «Луна-3», выполненный в масштабе 1:3, находится в нижнем зале музея Урании.