لونا-۱۶ در ۱۳ سپتامبر ۱۹۷۰ توسط موشک پروتون از بایکونور به سمت مدار ماه پرتاب شد و یک هفته بعد روی آن فرود آمد.

این پرتاب موفقیت‌آمیز می‌توانست نظر جهانیان را به خود جلب و تا حدودی شکست روس‌ها در پرتاب قبلی‌شان را جبران کند. به‌همین دلیل هم از اهمیت زیادی برخوردار بود.

فضاپیما از دو قطعه متصل به هم تشکیل شده‌ بود، یک مرحله برای خروج از مدار زمین و مرحله بعد برای فرود در ماه طراحی شده‌ بود. قسمت بالایی آن دارای یک استوانه با سر گرد بود که ظرف نمونه خاک را حمل می‌کرد.

مخزن حامل نمونه طوری طراحی شده‌ بود که تحت تأثیر محیط قرار نگیرد تا دانشمندان بتوانند ماهیت واقعی خاک ماه را بررسی کنند. مرحله‌ای که برای فرود فضاپیما طراحی شده‌ بود مجهز به دوربین تلویزیونی، مانیتورهای تشعشع و دما، تجهیزات مخابراتی و یک بازوی دکل حفاری برای جمع‌آوری نمونه از خاک بود.

کمتر از یک ساعت پس از فرود لونا-۱۶، نمونه‌برداری از خاک ماه در منطقه شمال شرقی دریای باروری آغاز شد.

پس از هفت دقیقه نمونه‌ها به مخزن کوچک کروی روی بدنه فضاپیما منتقل شدند. پس از فرود به زمین نیز، اولین نمونه‌های خاک ماه برای مطالعه به مسکو ارسال شد و به این ترتیب روس‌ها به یک موفقیت دیگر در فناوری‌های فضایی دست یافتند.