«Луна-3» стартовала в день второй годовщины космической эры. На траекторию полета к Луне была выведена автоматическая межпланетная станция (АМС) массой 278,5 кг. На станции находился большой комплекс аппаратуры, включая фототелевизионную с автоматической обработкой пленки на борту. Управление АМС осуществлялось по радиокомандам с Земли. Через 2,5 сут АМС «Луна-3», двигаясь по эллиптической траектории, обеспечивающей облет Луны, оказалась над обратной стороной Луны. Фотографирование производилось с расстояния 6200 км (от поверхности Луны). После обработки пленки на борту станции фототелевизионная система передала изображение на Землю.