Luna 3 var det tredje romfartøyet som ble sendt til månen.

Den 4. oktober 1959 ble Luna 3 skutt opp fra Baikonor kosmodromen. Den ble først kjent i pressen som Automaticheskaya Mezplanetnaya Stantsiya. Den veide 278,5 kg. Utskytningsraketten var en modifisert, sovjetisk R7. For den interplanetariske ferden ble R7-raketten utstyrt med et ekstra trinn som ville tillate en last på inntil 400 kg å unnslippe jordens gravitasjon. Sonden var utstyrt med avansert fotoutstyr for fotografering av månens bakside og overføring av bildene til jorden. Luna 3 hadde også instrumenter som eventuelt kunne oppdage og måle magnetiske felt og stråling fra månen. Ferden var vellykket. Sonden ble innfanget av månens gravitasjon. Sirklet rundt dens bakside og slengt tilbake mot jorden. Mens den var på månens bakside tok den bilder i 40 minutter fra en høyde på 7 884 km over månens overflate. Den fotograferte 70% av overflaten på månens bakside. På tur tilbake mot jorden overførte Luna 3 bildene til jorden. Fra en mosaikk av bilder satte sovjetiske vitenskapsmenn sammen et kart av månens bakside. Her så man at det var stor forskjell mellom månens framside og dens bakside. Det var færre og mindre «hav». Videre så man færre store kratere mens det var mange flere klaser av mellomstore kratere. For første gang fikk menneskeheten se hvordan månens bakside var formet. Luna 3 var både ingeniørmessig og vitenskapelig en suksess. Den demonstrerte at sovjetiske ingeniører og vitenskapsmenn hurtig hadde perfeksjonert teknologien for å lage komplekse interplanetariske romfarkoster.