La nave despegó el 12 de septiembre y el día 20, a las 05.18 UTC, la nave aterrizó con suavidad en la zona de destino, en la zona noreste del Mar de la Fertilidad a unos 100 kilómetros al este del cráter Webb. Este fue el primer alunizaje realizado de noche, ya que el sol se había puesto unas 60 horas antes.	Menos de una hora después del alunizaje, un taladro automático penetró la superficie lunar para recoger una muestra de suelo. Después de la perforación durante 7 minutos, el taladro se detuvo al alcanzar los 35 centímetros de profundidad y luego retiró la muestra y la levantó en un arco a la parte superior de la nave espacial, depositando el material lunar en una pequeña cápsula esférica montada en el bus principal de la nave. La columna de regolito en el tubo de perforación se transfirió a continuación al recipiente de muestra de suelo.	Finalmente, después de 26 horas y 25 minutos en la superficie lunar (a las 07:43 UT el 21 de septiembre), la etapa superior de la nave despegó de la Luna. La etapa más baja del Luna 16 permaneció en la superficie lunar y continuó la transmisión de la temperatura lunar y datos de radiación. Tres días después, la cápsula, con sus 101 gramos de suelo lunar, volvió a entrar en la atmósfera y aterrizó en el actual Kazajistán.