Tàu vũ trụ Luna 10 được phóng lên Mặt Trăng từ quỹ đạo Trái Đất vào ngày 31 tháng 3 năm 1966. Tàu vũ trụ tiến vào quỹ đạo mặt trăng vào ngày 3 tháng 4 năm 1966 và hoàn thành quỹ đạo đầu tiên 3 giờ sau đó (vào ngày 4 tháng 4, Moskva). Sau khi chỉnh sửa vào ngày 1 tháng 4, Luna 10, chiếc thứ hai trong hai thiết bị đầu dò Ye-6S của Liên Xô, đã đi thành công vào quỹ đạo Mặt Trăng hai ngày sau đó vào lúc 18:44 UT. Một khoang dụng cụ 245 kilogram tách ra khỏi tàu chính, nằm trong quỹ đạo 350 x 1.000 km nghiêng 71,9 ° đến đường xích đạo mặt trăng.

Luna 10 được cấp nguồn pin và hoạt động cho bay quanh mặt trăng 460 lần và 219 lần truyền dữ liệu hoạt động trước khi tín hiệu vô tuyến bị ngừng hoạt động vào ngày 30 tháng 5 năm 1966.