Pri Tassu so v prvem poročilu po izstrelitvi previdno zapisali, da je glavni namen postaje preizkus sistemov, ki omogočajo vzpostavitev umetnega satelita Lune za raziskovanje vesoljskega prostranstva okoli Lune, pa tudi preizkus ladijskih sistemov za utirjenje postaje v orbito okoli Lune.
Štiri ure in 13 minut po izstrelitvi je bila Luna 10, ki je imela po ločitvi od nosilne rakete maso 1582 kilogramov, že 51000 kilometrov od Zemlje. Po popravku tira in usmeritvi sonde s pogonskim delom v smeri poleta in ob vertikali proti Luni, je vesoljsko plovilo prispelo v bližino Zemljinega naravnega satelita. Sledila sta vžig zaviralnega motorja, ki je ugasnil samostojno in ločitev umetnega satelita od pogonskega dela sonde. Satelit z maso 240 kilogramov je na višini od 350 do 1017 kilometrov začel krožiti okoli Lune. Za eno obkrožitev Lune je potreboval dve uri, 58 minut in 15 sekund. Vesoljsko plovilo je bilo opremljeno s spektrometrom gama žarkov za raziskovanje moči in spektralne sestave sevanja žarkov gama z Luninega površja, z instrumentom za proučevanje radiacije blizu Lune, z aparaturo za proučevanje Sončeve plazme, instrumentom za zaznavanje infrardečega sevanja Luninega površja in z instrumentom za zaznavanje majhnih meteorskih delcev. Prvi satelit Lune je deloval 56 dni in pri tem 460-krat obkrožil Luno. S sondo so 219-krat vzpostavili zvezo in dobili podatke o gravitacijskem in magnetnem polju Lune, magnetnem pasu okoli Zemlje, posredne podatke o kemijski sestavi in radioaktivnosti površinske plasti Lune.
V filmskih kronikah razvoja kozmonavtike (astronavtike) se Lune 10 spominjajo predvsem po njenem oddajanju elektronske melodije internacionale v času 23. kongresa komunistične partije SZ. Delegati kongresa so stoje poslušali signale, ki so prihajali iz kakih 384.000 kilometrov oddaljene Lunine orbite, nato pa navdušeno ploskali. Luna 10 je mednarodno proletarsko himno, ki je bila hkrati sovjetska partijska himna, leta 1966 oddajala še nekajkrat: ob zaključku omenjenega kongresa, nato 12. aprila v čast dneva kozmonavtike, 22. aprila ob 12. uri in pet minut po moskovskem času ob 96. obletnici rojstva Vladimirja Iljiča Lenina, 17. maja ob začetku 15. kongresa leninskega komsomola in morda še kdaj.
