31 марта 1966 года в 13:46:59 мск с космодрома Байконур был осуществлён пуск ракеты-носителя Молния-М, которая вывела на траекторию полета к Луне АМС «Луна-10». 3 апреля 1966 года станция «Луна-10» впервые в мире вышла на орбиту вокруг Луны. 29 мая 1966 года АМС «Луна-10» упала на поверхность Луны.

Космический аппарат был предназначен для вывода на орбиту искусственного спутника Луны и проведения исследований Луны и окололунного пространства. Он состоял из перелётной ступени, осуществлявшей коррекцию траектории и переход с неё на окололунную орбиту, и отделяемого спутника Луны. Перелётная ступень была унифицирована со станциями Луна-4…Луна-9, а, поскольку для выхода на орбиту ИСЛ требуется меньшее изменение скорости, то масса спутника была заметно больше массы АЛС Луна-9 и составляла около 250 кг. Полная масса станции во время перелёта Земля-Луна — около полутора тонн.