«Луна-3» была запущена 4 октября 1959 года с Научно-исследовательского испытательного полигона № 5, позднее ставшего космодромом Байконур. Траектория полёта была рассчитана так, чтобы аппарат прошёл вблизи Луны и под воздействием её гравитации изменил направление движения.
7 октября станция оказалась за Луной. В 06:30 по московскому времени началась фотосъёмка. В течение 40 минут система «Енисей» сделала 29 снимков с расстояния примерно 63–67 тысяч километров от лунной поверхности.
Это была уникальная техническая операция. Цифровой фотографии и передачи изображений тогда ещё не существовало. На борту «Луны-3» находилась автоматическая фотолаборатория: отснятую плёнку необходимо было проявить, зафиксировать и высушить в космосе. Затем изображения считывались фототелевизионной системой и передавались на Землю по радиоканалу.
Снимки оказались зашумлёнными и низкого разрешения, однако учёные смогли различить многочисленные детали лунного рельефа. Всего было сфотографировано около 70% обратной стороны Луны.
Главным научным открытием стало то, что два полушария Луны заметно отличаются друг от друга. На обратной стороне оказалось значительно меньше крупных тёмных равнин — лунных морей, зато её поверхность была густо покрыта кратерами.
По результатам исследования снимков были выделены и получили названия новые объекты, среди которых Море Москвы, Море Мечты и кратер Циолковский. Позднее многие названия, предложенные советскими учёными, были утверждены Международным астрономическим союзом.
Качественную передачу изображений удалось осуществить, когда станция приблизилась к Земле. 18 октября были приняты 17 снимков, а 27 октября 1959 года первые изображения обратной стороны Луны опубликовали советские газеты.
Полёт «Луны-3» стал одним из крупнейших достижений ранней космической эпохи. Впервые человечество увидело часть Луны, которая на протяжении всей истории оставалась скрытой от земных наблюдателей.