Это был настоящий инженерный прорыв. До «Луны-16» лунный грунт доставляли только люди — астронавты американских экспедиций «Аполлон-11» и «Аполлон-12». Советской станции предстояло выполнить ту же принципиально сложную задачу без участия человека.
12 сентября «Луну-16» запустили с космодрома Байконур ракетой-носителем «Протон-К». Успеху предшествовали пять неудачных советских попыток автоматического возвращения лунных образцов.
17 сентября станция вышла на орбиту Луны, а 20 сентября совершила мягкую посадку в районе Моря Изобилия. Причём впервые в истории автоматический аппарат должен был работать на поверхности Луны в полной темноте: Солнце уже зашло за горизонт.
Примерно через час после посадки с Земли включили буровое устройство. За несколько минут бур проник в реголит примерно на 35 сантиметров и извлёк колонку грунта. Полученный материал специальным механизмом поместили в контейнер возвращаемого аппарата и герметично закрыли.
21 сентября с поверхности Луны стартовала взлётная ступень «Луна — Земля». Она использовала посадочную ступень в качестве стартовой площадки и вывела возвращаемый аппарат на траекторию к Земле.
24 сентября возвращаемый аппарат отделился от взлётной ступени и вошёл в атмосферу Земли. На высоте около 14,5 километра раскрылся тормозной парашют, а примерно на 11 километрах — основной. В 08:26 по московскому времени капсула совершила мягкую посадку в Казахстане, примерно в 80 километрах юго-восточнее Жезказгана. Спасательная группа быстро обнаружила её по радиосигналам.
Доставленный реголит представлял собой тёмный мелкозернистый материал. Исследования показали, что значительную часть образца составляли породы базальтового типа — результат древней вулканической активности Луны. Образцы изучали по химическому и изотопному составу, исследуя происхождение и геологическую историю лунной поверхности.
Позднее часть материала передали зарубежным учёным. В 1971 году NASA получило 3 грамма образца «Луны-16» в обмен на образцы, доставленные американскими экспедициями «Аполлон-11» и «Аполлон-12».
Главное достижение «Луны-16» заключалось не в количестве грунта. Всего 101 грамм был ничтожным объёмом по сравнению с десятками килограммов, доставленными астронавтами «Аполлона». Но советская станция доказала другое: лунный образец можно взять, герметично упаковать и самостоятельно доставить на Землю без человека на борту.
Именно поэтому 24 сентября 1970 года стало одной из важнейших дат в истории автоматического исследования космоса.

Видео: Киножурнал Новости дня. Космическая станция «Луна-16». 1970 год.