Superados en la carrera espacial por Estados Unidos, que ya había completado antes dos misiones tripuladas a la Luna --Apolo XI y XII--, el programa espacial soviético se destacó en la viabilidad de misiones automáticas que también pudieran traer muestras sin necesidad de astronautas.

La nave despegó el 12 de septiembre y el día 20, a las 05h18 UTC, la nave aterrizó con suavidad en la zona de destino, en la zona noreste del Mar de la fertilidad a unos 100 kilómetros al este del cráter Webb. Este fue el primer alunizaje realizado de noche, ya que el sol se había puesto unas 60 horas antes.

Menos de una hora después del alunizaje, un taladro automático penetró la superficie lunar para recoger una muestra de suelo. Después de la perforación durante 7 minutos, el taladro se detuvo al alcanzar los 35 centímetros de profundidad y luego retiró la muestra y la levantó en un arco a la parte superior de la nave espacial, depositando el material lunar en una pequeña cápsula esférica montada en el bus principal de la nave. La columna de regolito en el tubo de perforación se transfirió a continuación al recipiente de muestra de suelo.

Finalmente, después de 26 horas y 25 minutos en la superficie lunar (a las 07h43 UT el 21 de septiembre), la etapa superior de la nave despegó de la Luna. La etapa más baja del Luna 16 permaneció en la superficie lunar y continuó la transmisión de la temperatura lunar y datos de radiación. Tres días después, la cápsula, con sus 101 gramos de suelo lunar, volvió a entrar en la atmósfera y aterrizó en el actual Kazajistán.