Luna 15 có khả năng nghiên cứu không gian Mặt Trăng, trường hấp dẫn Mặt Trăng và thành phần hóa học của đất đá Mặt Trăng. Nó cũng có khả năng cung cấp ảnh về Mặt Trăng. Luna 15 được đặt trong một quỹ đạo Trái Đất trung gian sau khi phóng và sau đó được đẩy về phía Mặt Trăng. Sau khi điều chỉnh hướng đi, Luna 15 tiến vào quỹ đạo Mặt Trăng lúc 10:00 giờ ngày 17 tháng 7 năm 1969. Tàu vũ trụ này ở trong quỹ đạo Mặt Trăng trong hai ngày trong khi bộ điều khiển kiểm tra tất cả các hệ thống trên tàu và thực hiện hai lần điều chỉnh quỹ đạo.

Sau khi hoàn thành 86 phiên liên lạc và 52 vòng quỹ đạo của Mặt Trăng ở nhiều hướng và độ cao khác nhau, nó bắt đầu hạ cánh. Các phi hành gia Armstrong và Aldrin đã đặt chân lên Mặt Trăng khi Luna 15 bắn động cơ retrorocket chính của nó để bắt đầu giảm tốc và hạ cánh xuống Mặt Trăng lúc 15:47 UT ngày 21 tháng 7 năm 1969. Các chuyến bay bị ngừng bốn phút sau khi quỹ đạo, ở độ cao tính toán là 3 ki lô mét (1,9 mi). Tàu vũ trụ có lẽ đã đâm vào sườn núi. Các tọa độ nơi tiếp đất là vĩ độ 17°bắc và kinh độ 60° phía đông, trong Mare Crisium.[1]