Am 13.07.1969 unternahm die Sowjetunion einen letzten verzweifelten Versuch, den sich abzeichnenden Erfolg der amerikanischen bemannten Mondlandemission von Apollo 11 wenigstens zu schmälern. Mit einer Proton-​K 8K82 K mit Block-​D 11S824  Fluchtstufe startete eine neue Variante der Luna Mondlandesonden (Objekt E-​8 – 5). Nach einer deprimierenden Serie von fünf Fehlstarts funktionierte die Proton-​K bei diesem so wichtigen Start endlich fehlerlos. Ohne Probleme erreichte Luna 15 seine Bahn zum Mond. Dabei hatten Gewichtsprobleme die Mission bis zuletzt in Frage gestellt. Erst der Ausbau eines Teils der Funkausrüstung drückte das Gewicht unter die kritische Marke. Bald nach dem Start traten jedoch ernste Probleme auf. Die Temperatur in den Treibstofftanks des S5.61  Triebwerks für den Rückstart vom Mond erreichte so hohe Werte, daß eine Explosion nicht ausgeschlossen werden konnte. Bei der Suche nach einer Lösung verfiel man schließlich auf die einfache Idee, Luna 15 so zu drehen, daß die Tanks immer im Schatten lagen. Daraufhin sank die Temperatur wieder auf akzeptable Werte. Nach einem ungewöhnlich langen Transferflug schwenkte Luna 15 am 17.07.1969 in eine Mondumlaufbahn ein. Zu diesem Zeitpunkt befand sich auch Apollo 11 auf dem Weg zum Mond. Vom Vorsitzenden der sowjetischen Akademie der Wissenschaften, Mstislaw W. Keldysch, hatte der eben von einer Rundreise durch die Sowjetunion zurückgekehrte US Astronaut Frank Borman zuvor die Zusicherung erhalten, daß die Mission von Luna 15 diejenige von Apollo 11 nicht beeinträchtigen würde. Am 19.07.1969 und 20.07.1969 fanden zwei Bahnmanöver von Luna 15 statt, bevor am 21.07.1969 (Apollo 11 war bereits gelandet) aus einem 16×110 km Orbit das Bremsmanöver für die weiche Mondlandung eingeleitet wurde. Der finale Landeanflug hatte sich um 18 h verzögert, da die Daten des Radarhöhenmessers beim Überflug auf ein unerwartet rauhes Terrain hindeuteten. Die Flugleitung brauchte daher länger als erwartet, um das Abstiegsprofil zu einem sicheren Landegebiet zu berechnen. Dennoch waren die Experten optimistisch, die Mission zu einem erfolgreichen Abschluß zu bringen. Zunächst verlief der Abstieg auch nach Plan, wenn auch praktisch keine Hoffnung mehr bestand, noch vor den USA der Weltöffentlichkeit Mondbodenproben präsentieren zu können. Denn selbst bei einem optimalen Verlauf würde Apollo 11 wenige Stunden vor der Landekapsel von Luna 15 wieder auf der Erde eintreffen. Doch dann brach 2 min vor dem berechneten Landezeitpunkt plötzlich der Funkkontakt zu Luna 15 ab. Eine spätere Analyse ergab, daß Luna 15 wohl mit 480 kmh^–1  eine Bergflanke gestreift hatte. Nach der offiziellen TASS Presseerklärung hatte Luna 15 hingegen seine — nicht genau spezifizierte — Mission erfolgreich abgeschlossen und den Mond „im vorgesehenen Gebiet erreicht“. In der allgemeinen Begeisterung über die erste bemannte Mondlandung ging diese Meldung aber ohnehin unter.