A Luna-3 annak a Luna-programnak a része volt, ami 1959 januárja és 1970 októbere között 20 sikeres küldetést indított Földünk égi kísérőjének vizsgálatára.
Habár az űrversenyt végül az Egyesült Államok nyerte meg az emberes holdra szállással, a szovjet tudósok által elért eredmények vitathatatlanok: a Luna-1 volt az első űreszköz, ami elrepült a Hold mellett, utódja, a Luna-2 pedig az első, amely kemény landolással, de elérte az égitest felszínét. A későbbi szondák ennél is tovább mentek:
a Luna-9 már „lágy leszállást" (köznyelven sima landolást) valósított meg, míg a Luna-10 égi kísérőnk első mesterséges holdja lett.
Kötött keringése miatt a Hold mindig ugyanazt az „arcát" mutatja a Föld irányába. Éppen ezért a Luna-3 fő feladata a Hold túlsó oldalának lefényképezése volt. Ehhez kétféle objektívet használt: a panorámaképeket 200 milliméteres, a részletes felvételeket 500 milliméteres fényképezőlencsével készítették. A képeket szabványos 35 mm-es méretű, azonban speciális magas hőmérsékletnek ellenálló filmre készítették, majd előhívás és száradás után tv-kamerával elektronikus jelekké alakították, és így küldték vissza a Földre.
A történelmi fotózásra végül 1959. október 7-én került sor.
65 200 kilométerről 40 perc alatt 29 fényképet készített a Hold rejtett oldaláról, átfogva a felület 70 százalékát.
Október 18-án visszatért a Hold közelébe, majd további 17 felvételt készített.
Bár a szonda által lőtt fotók alacsony felbontásúak és rendkívül zavarosak, arra alkalmasak voltak, hogy feltáruljon a Hold túloldalának addig számunkra „sötétnek" tűnő tereprajza.
A Hold túloldala sokban különbözött a Föld felé néző arcától. Példának okáért mindössze két nagyobb „mare" (sötét holdterület), a Moszkva-tenger és az Álom-tenger található ebben a régióban, és a hegyláncok felépítése is markáns eltéréseket mutat.
Mindemellett a legnagyobb kráterek is a Hold túlsó oldalán terpeszkednek.
A Luna-3-mal 1959. október 22-én szakadt meg az összeköttetés, további sorsa ismeretlen. Valószínűleg eléghetett a Föld atmoszférájában, de az sem kizárt, hogy 1962-ig keringett az űrben.