29 kwietnia 1960 statek wszedł w górne warstwy atmosfery ziemskiej i spłonął.
Łuna 3 była pierwszą sondą, która sfotografowała i przesłała zdjęcia odwrotnej, niewidocznej z Ziemi półkuli księżycowej. Dzięki tej misji po raz pierwszy w historii ludzkości człowiek był w stanie ujrzeć powierzchnię jeszcze nieznaną. Mimo że zdjęcia były słabej jakości, pozwoliły na stworzenie pierwszej wersji atlasu niewidocznej strony Księżyca, porównanie obu półkul oraz na skonstruowanie pierwszych trójwymiarowych modeli naszego naturalnego satelity.
Budowa i działanie Sonda nosiła fabryczne oznaczenie E-3. Jej cylindryczny kadłub był hermetyczny. Ciśnienie w środku wynosiło 0,23 atmosfery. Kadłub Łuny 3 obłożony został użytymi po raz pierwszy w historii panelami fotoogniw słonecznych. Zasilały one chemiczne akumulatory. Sonda wyposażona została w gazowe silniczki korygujące jej położenie oraz zestawy fotokomórek, ukierunkowujących sondę na Słońce i Księżyc. Statek nie posiadał napędu umożliwiającego zmianę kursu. Temperatura obiektu była na bieżąco kontrolowana i stabilizowana przez układ regulujący.
Statek był stabilizowany obrotowo i kierowany radiowo bezpośrednio z Ziemi.