Luna 6 được phóng tên lửa mang tên Molniya-M bay từ vị trí 1/5 tại sân bay vũ trụ Baikonur. Quá trình cất cánh xảy ra lúc 07:40 UTC ngày 8 tháng 6 năm 1965, với tàu vũ trụ và sân khấu Blok L bước vào quỹ đạo Trái Đất thấp, trước khi giai đoạn đẩy phi thuyền vào một quỹ đạo nhật tâm đi qua Mặt Trăng.