Sau đợt điều chỉnh giữa hành trình ngày 10 tháng 5, phi thuyền bắt đầu tự quay quanh trục chính do một trục trặc trong một con quay hồi chuyển bên trong hệ thống hướng dẫn I-100. Một nỗ lực tiếp theo để khởi động động cơ chính không thành công do lỗi điều khiển mặt đất và động cơ không bao giờ được khởi động. Kết quả của những thất bại này là nỗ lực hạ cánh không thành công, và Luna 5 rơi đập mạnh vào bề mặt Mặt Trăng. Nơi va chạm lần đầu tiên được công bố là 31° S 8°W (bờ biển của Mare Nubium), nhưng sau đó nó được ước tính lại là 8°N 23°W (gần miệng núi lửa Copernicus).[1] Đây là tàu vũ trụ thứ hai của Liên Xô rơi vào bề mặt Mặt trăng, theo sau Luna 2 năm 1959. Một đài quan sát ghi nhận một chùm bụi đất diện tích 220 x 80 km (137 x 50 mi) hình thành do tác động va đập của tàu vũ trụ tạo ra trong mười phút.