Po przelocie nad północnym biegunem Księżyca, aparat zaczął powracać na Ziemię po zaplanowanej orbicie, tak aby cały czas znajdował się w polu odbioru śledzących go stacji naziemnych. Nadajnik Łuny 3 nie miał wystarczającej mocy by przesyłać sygnały z takiej odległości. Musiano zaczekać aż znajdzie się wystarczająco blisko naszej planety. 8 października sonda podjęła próbę przesłania zdjęć, jednak sygnał był niewystarczająco silny. Udało się to dopiero 18 października.

Naukowcy uzyskali 17 nadających się do użytku fotografii z 29 zrobionych. Obejmowały one około 70% powierzchni półkuli niewidocznej. Zdjęcia wykonane przez Łunę 3 były bardzo niewyraźne, jednakże pozwoliły na rozróżnienie kilku krain selenograficznych. Wtedy też po raz pierwszy przekonano się, że strona niewidoczna zdominowana jest przez wyżyny, z bardzo niewielką ilością „mórz”, „jezior” i „zatok”. Dzięki jej zdjęciom odkryto niezwykłą wielopierścieniową formację, którą nazwano Morzem Wschodnim (Mare Orientale), i ponadto dwa inne morza – Moskiewskie (Mare Moscovrae) i Morze Snów (Mare Desiderii). Pierwsze fotografie pozwoliły także na wyodrębnienie kilku dużych formacji kraterowych i nadanie im nazw (m.in. Ciołkowskiego, Łomonosowa czy Mendelejewa). Kontakt z tym satelitą został utracony 22 października.