31 марта 1966 года в 13 часов 46 минут 59 секунд по московскому времени с космодрома Байконур была запущена ракета-носитель «Молния-М», которая вывела автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Луна-10» на траекторию полета к Луне. Новая станция должна была продолжить программу по освоению человечеством естественного спутника Земли.

За два месяца до этого запуска АМС «Луна-9» впервые в мире совершила мягкую посадку на поверхности Луны. «Луна-10» была построена на базе своей предшественницы, однако вместо автоматической лунной станции на ней был установлен отделяемый герметичный контейнер — искусственный спутник Луны.

На начальном этапе и до подлета к спутнику Земли движение «Луны-10» принципиально ничем не отличалось от движения «Луны-9». Сначала «Луна-10» была выведена на околоземную орбиту, а затем с помощью разгонного блока скорость станции была доведена до 10,9 км/с.

При такой начальной скорости полет до Луны занял около трех с половиной суток.

При подлете к Луне нужно было затормозить станцию, чтобы она осталась на орбите, а не упала на поверхность небесного тела или удалилась в межпланетное пространство. Для снижения скорости станции использовался реактивный тормозной двигатель, сопло которого ориентировалось по направлению движения. Поэтому на заключительном этапе полета (на расстоянии около 1000 км от Луны) станция была сориентирована нужным образом. Это позволило стабилизировать скорость станции до необходимых 1,25 км/с, в результате чего она вышла на устойчивый полет по эллиптической орбите вокруг Луны.

Через 20 секунд после выключения двигательной установки собственно автоматическая лунная станция — «Луна-10» — отделилась от двигательной установки и отсеков системы управления и превратилась в искусственный спутник Луны. Это случилось 3 апреля 1966 года.

Параметры орбиты станции были выбраны оптимальным образом, для нормального функционирования приборов и исследования лунной поверхности.

Сам по себе спутник представлял собой герметический контейнер весом 245 кг. Снаружи на корпусе были расположены антенны и научные приборы: магнитометр, «ловушки» метеорных частиц, блок тепловых датчиков и другие. Внутри корпуса находилось оборудование спутника и источники питания.

Что же нового позволил узнать о Луне ее первый искусственный спутник? Во-первых, одним из важнейших пунктов программы исследований было изучение гравитационного поля Луны. Анализируя траекторию движения спутника, ученые обнаружили, что поле тяготения Луны несимметрично. Дело в том, что Луна имеет не шарообразную, а скорее грушевидную форму с вытянутостью на обратной стороне. Данное открытие вызвало большой интерес со стороны ученых-космогонистов, занимающихся проблемами происхождения и развития небесных тел.

Во-вторых, исследуя период обращения спутника, ученые смогли уточнить отношение масс Луны и Земли. Оно составило 1/81,3.

В-третьих, с помощью установленных на борту спутника высокочувствительных магнитометров удалось изучить магнитное поле Луны. Измерения показали наличие у Луны слабого магнитного поля (примерно в тысячу раз слабее магнитного поля Земли). Однако это поле не похоже на магнитное поле Земли, которое создается жидким металлическим ядром. Магнитное поле Луны не имеет полюсов подобно земному. В основном оно обусловлено влиянием солнечного излучения, космических лучей и периодического магнитного шлейфа Земли.

На обшивке станции «Луна-10» располагались специальные датчики, чувствительные к ударам метеорных частиц. С их помощью было показано, что в окрестностях Луны плотность твердого метеорного вещества более чем в 100 раз превышает среднюю для межпланетного пространства.

Фактически вокруг Луны существует метеорный рой из захваченных гравитационным полем частиц.

Кроме того, «Луна-10» провела исследования радиоактивности лунных пород. Для этого на станции находились спектрометры гамма-излучения. С их помощью удалось оценить концентрации радиоактивных элементов, а значит, установить тип горных пород и их химический состав. Оказалось, что содержание радиоактивных элементов в лунных породах примерно такое же, как в земных базальтах. Основными породообразующими элементами лунной поверхности являются кислород, магний, алюминий, кремний.

За два месяца «Луна-10» выполнила свою исследовательскую программу: 29 мая 1966 года она сошла с орбиты и упала на поверхность Луны. В общей сложности станция проработала на орбите небесного тела в течение 56 суток. За это время она совершила 460 оборотов вокруг Луны, пролетев около 7 млн км. Было проведено 219 сеансов радиосвязи.

Запуск «Луны-10» совпал с проведением XXIII съезда КПСС. 4 апреля на утреннем заседании в Кремлевском дворце съездов делегатам сообщили важную новость: «3 апреля в 21 час 44 минуты по московскому времени автоматическая станция «Луна-10» была выведена на селеноцентрическую (окололунную) орбиту и стала первым в мире искусственным спутником Луны». После этого зал устроил овацию присутствующим в зале космонавтам (в их числе был и Юрий Гагарин).

Затем прозвучала мелодия «Интернационала», переданная бортовой станцией АМС «Луна-10». Делегаты партсъезда слушали ее стоя.

На тот момент СССР еще опережал США в лунной гонке. Только через пять месяцев, 10 августа 1966 года, NASA запустило свой искусственный спутник Луны — автоматический аппарат «Лунар орбитер — 1». Этот аппарат занимался главным образом съемкой лунной поверхности, в частности, с целью выбора мест, удобных для посадки кораблей «Аполлон».