Trotz des verlorenen „Wettlaufs zum Mond“ lief das sowjetische Monderkundungsprogramm auch zu Beginn der 1970^er Jahre zunächst noch weiter. Einer der unbemannten Sondentypen im Luna Programm waren die E-​8 – 5  Mondlander, die mit einem Gerät zur Entnahme von Bohrkernen aus dem Mondboden ausgestattet waren. Nachdem Luna 16 im September 1970 erstmals erfolgreich eine solche Mission demonstriert hatte und mit wenig mehr als 100 g Mondgestein zur Erde zurückgekehrt war, gelang im April 1972 (nach einem Fehlschlag mit Luna 18) die Wiederholung. Luna 20 startete am 14.02.1972 mit einer Proton-​K 8K82 K mit Block-​D 11S824  Fluchtstufe vom Kosmodrom Baikonur. Unter Einschaltung eines Parkorbits um die Erde gelang wenig später der Abflug in Richtung Mond. Nach einer Kurskorrektur am 15.02.1972 traf Luna 20 am 18.02.1972 am Mond ein und wurde in eine vorläufige Umlaufbahn eingebremst. Ein Bahnmanöver am nächsten Tag bereitete den Weg für die weiche Mondlandung am 21.02.1972. Die Zündung des Haupttriebwerks leitete an diesem Tag den Abstieg zur Mondoberfläche ein. Eine weitere Zündung diente der Verringerung der Sinkgeschwindigkeit. Knapp über der Mondoberfläche wurde das Triebwerk abgestellt und Luna 20 „fiel“, stabilisiert nur von einem Satz kleiner Vernier Triebwerke, bis zur Mondoberfläche. Am 21.02.1972 um 19:19 UTC setzte Luna 20 im Mondhochland auf, nahe des Kraters Apollonius C. Die Landung erfolgte bei 3 °32′ Nord und 56 °33′ Ost und damit nur 1,8 km entfernt von der Stelle, an der Luna 18 niedergegangen war, zu der der Funkkontakt bei der Landung abgerissen war. Nach der Landung fertigte Luna 20 Panoramafotos von der Landestelle an und entnahm eine Bodenprobe. Das Bohrgestänge erreichte eine Tiefe von lediglich etwa 25 cm und der gesamt Bohrkern wog nicht mehr als 55 g (nach anderen Quellen 30 g). Zweimal löste bei der Probenentnahme ein Überlastschalter aus, so daß auf weitere Versuche, Material aus größerer Tiefe zu gewinnen, verzichtet wurde. Die Bodenprobe wurde automatisch in eine spezielle Landekapsel überführt, die an der Spitze der Rückkehrstufe von Luna 20 saß. Am 22.02.1972 zündete das Triebwerk der Rückkehrstufe und brachte diese mitsamt der Landekapsel auf eine direkte Flugbahn zurück zur Erde. Am 25.02.1972 ging die Landekapsel am Fallschirm 40 km nordwestlich von Scheskasgan im Norden Kasachstans nieder. Die Bergungsmannschaften trafen einen Tag später ein, bargen die Kapsel und überführten die Bodenproben in ein Institut nach Moskau. Später wurden Teile der Proben im Tausch gegen solche aus dem amerikanischen Apollo Programm auch westlichen Forschern zugänglich gemacht.