O Luna-16 tinha sido lançado para o espaço a 12 de setembro de 1970 com recurso a um foguetão Proton, constituído por um andar superior e andares de escape, a partir do Cosmódromo de Baikonur, situado em Tyuratam, na União Soviética.
Uma vez em órbita terrestre, é lançado em direção à Lua, entrando em órbita lunar a 17 de setembro de 1970.

A 20 de setembro, a nave espacial poisa suavemente no Mar da Fertilidade.

Imagens de televisão de boa qualidade são enviadas para a Terra, de acordo com o Rádio-Observatório Espacial Bochum, situado na então República Federal Alemã.

Socorrendo-se de um braço extensível, a Luna-16 recolhe amostras do solo lunar.

Após 26 horas e 25 minutos na superfície lunar, o módulo de ascensão, com um contentor hermeticamente selado com amostras de solo, deixa a superfície lunar em direção à Terra, deixando ficar no local o andar inferior da nave espacial, que continuaria, durante algum tempo, a transmitir informações sobre a temperatura e a radiação lunar.