31 марта 1966 года в 13:46 по московскому времени с космодрома Байконур был осуществлен пуск ракеты-носителя «Молния» с автоматической межпланетной станцией «Луна-10». Целью полета был вывод аппарата на орбиту Луны для исследования спутника Земли. Спустя три дня после старта, 3 апреля 1966 года, АМС «Луна-10» достигла орбиты Луны и стала ее первым искусственным спутником.

Станция работала в течение 56 суток. Во время полета «Луна-10» совершила 460 оборотов вокруг Луны и осуществила 219 сеансов радиосвязи с Землей. В ходе осуществления программы полета производилось исследование магнитного и гравитационного полей спутника Земли, химического состава и радиоактивности лунной поверхности.

Полет АМС «Луна-10» стал очередной выдающейся победой советской науки в «космической гонке». Полученные в ходе работы станции данные позволили советским ученым сделать ряд важных научных открытий, в частности, ими был впервые установлен общий химический состав лунной поверхности, а также сделан вывод об отсутствии радиационных поясов на естественном спутнике Земли.