КА «Луна-3» запущен 4.10.1959 года. Конечная масса последней ступени РН с КА 1553 кг (масса научной и измерительной аппаратуры с источниками питания 435 кг). Масса КА «Луна-3» 278,5 кг. КА имел системы: радиотехническая, телеметрическая, фототелевизионная, ориентации (относительно Солнца и Луны), энергопитания (с солнечными батареями), терморегулирования и комплекс научной аппаратуры.
После выхода на расчетную траекторию от третьей ступени отделилась АМС «Луна-3». Ей предстоял сложный полет вокруг Луны. Перед станцией была поставлена задача сфотографировать обратную сторону нашего спутника. Для этого на борту станции были установлены два автоматических фотоаппарата и телевизионная аппаратура для передачи отснятых изображений на Землю.
7 октября станция, огибая Луну, вышла на линию Луна-Солнце. В этот момент с Земли была подана команда, по которой станция повернулась так, чтобы объективы фотоаппаратов оказались направленными на Луну. По второй команде «Луна-3» приступила к съемке.
Фотографирование (двумя аппаратами с длинно- и короткофокусным объективами) производилось с расстояния около 6200 км в течение 40 минут. Было сделано 25 снимков. Вся отснятая пленка обрабатывалась тут же, на станции. После этого телевизионная система построчно передавала полученные изображения на Землю. Максимальное число строк на кадр составляло 1000, а передача велась с расстояния, достигавшего 470 тыс. км.
На снимках полученных с помощью АМС «Луна-3», только 2/3 заснятой поверхности относятся к обратной стороне Луны (к ее западному сектору), а остальное – краевая зона видимого с Земли лунного полушария. Присутствие на снимках некоторых объектов, наблюдаемых с Земли, было необходимо для точного определения  местоположения образований, впервые обнаруженных на обратной стороне Луны. Кроме того, кратеры и «моря», расположенные в восточной краевой зоне, видны с Земли при очень больших перспективных искажениях. Поэтому фотографирование этих объектов позволило уточнить их координаты и очертания. Оказалось, что Краевое Море, Море Смита и Море Южное имеют продолжения на невидимой стороне Луны.
Всего на снимках было выявлено 499 различных образований лунного рельефа. И хотя первая фотография обратной стороны Луны была далека от совершенства, но ее по праву назвали фотографией века. Площадь поверхности обратной стороны Луны, равно как и видимого с Земли лунного полушария, составляет около 19 млн. км². «Луна-3» отсняла территорию около 12 млн. км² на обратной стороне. Следовательно, после ее полета более 1/3 невидимой стороны Луны осталось еще не обследованной. Досъемку этой таинственной области совершила 20 июля 1965 года советская АМС «Зонд-3».
Совершив 11 оборотов вокруг Земли, КА вошел в земную атмосферу и прекратил существование.

Общее описание автоматической межпланетной станции “Луна”