Апаратът влиза в орбита около Луната на 18 февруари 1972 г. след една корекция на курса.
Първоначалните орбитални параметри са: височина над повърхността от 100 km и инклинация от 65°. На 21 февруари 1972 г. в 19:13 ч. двигателите за кацане са задействани в продължение на 267 сек. Малко преди кацане са задействани допълнителните двигатели и в 19:19 е осъществено меко кацане в района на Маре Фекундататис / Морето на плодородието).
Мястото на кацане е с координати 3°32" с.ш. и 56°33" и.д. , само на 1,8 км от мястото на разбиване на Луна 18 и на 120 км от мястото на кацане на Луна 16. След кацането са заснети и предадени към Земята панорами на повърхността. Образец от лунната почва с тегло то 55 g е доставен от механичната ръка и поставен в херметизиран контейнер в горната част на апарата. Тя е изстреляна към Земята в 22:58 ч. на 22 февруараи 1972 г. , като е постигната скорост от 2,7 км/с.
Осъществено е кацане на територията на Казахстан на остров на река Каркингир , в 19:19 ч. на 25 февруари 1972 г.
Част от образеца е предоставена за изследвания на американски и френски учени.