Vypustili ju v nedeľu 15. septembra 1968 o 00:42 moskovského času z kozmodrómu Bajkonur, o tri dni neskôr obletela Mesiac vo vzdialenosti 1 950 kilometrov od jeho povrchu a vydala sa na spiatočný let. Počas neho okrem iného nafotila zábery Zeme, konkrétne Afriky, z vyšky 90-tisíc kilometrov.
Návratová kabína sa 21. septembra po priblížení k atmosfére oddelila od zvyšku sondy, ktorý zhorel. Na padákoch sa následne zniesla nad hladinu Indického oceánu. Tam ju na druhý deň vytiahla oceánografická loď Vasilij Golovin a odviezla do Bombaja. Odtiaľ ju letecky dopravili do Sovietskeho zväzu.
Okrem najrôznejších vedeckých prístrojov boli na jej palube viaceré biologické vzorky – korytnačky, plazy, živočíšne tkanivá, muchy či riasy, ktoré roky prežili bez väčších problémov.