Nhiệm vụ Luna 6 được tiến hành theo kế hoạch cho đến khi một bước điều chỉnh hướng đi được lên lịch vào cuối ngày 9 tháng 6. Mặc dù động cơ chính S5.5A của tàu vũ trụ đã khởi động đúng giờ, nó không thể ngừng lại và tiếp tục hoạt động cho đến khi nguồn cung cấp nhiên liệu của nó cạn kiệt. Một cuộc điều tra sau đó đã xác định rằng vấn đề là do một lệnh đã bị gửi nhầm tới bộ hẹn giờ đã ra lệnh tắt động cơ chính.[1]

Mặc dù tàu vũ trụ không thể hạ cánh trên Mặt Trăng, các bộ điều khiển đã sử dụng phi thuyền để mô phỏng việc hạ cánh; một công việc được hoàn thành một cách thỏa đáng. Luna 6 bay qua Mặt trăng vào cuối ngày 11 tháng 6,[2] với khoảng cách tiếp cận gần nhất là 159.612,8 km (99,178,8 mi). Việc liên lạc được duy trì cho tới khi tàu đi cách Trái Đất 600.000 km (370.000 dặm).