Misja wystartowała w dniu 14 lutego 1972 o godz. 03:27:59 UTC ze stanowiska startowego 81/24 kosmodromu Bajkonur (ZSRR) za pomocą rakiety nośnej Proton-K Blok-D (nr 258-01).
Celem misji Łuna 20 / Ye-8-5 nr 408 było lądowanie na Księżycu, pobranie próbek gruntu i powrót na Ziemię.
Główne wydarzenia:
- 18 lutego 1972 – wejście na orbitę Księżyca,
- 21 lutego 1972 – miękkie lądowanie na powierzchni Księżyca, na górzystym obszarze znanym jako wyżyny Apoloniusza w pobliżu Mare Foecunditatis (Morze Płodności),
- 22 lutego 1972 – wystrzelenie z powierzchni Księżyca segmentu powrotnego, z 30 gr zebranych księżycowych próbek w zamkniętej kapsule,
- 25 lutego 1972 – lądowanie kapsuły w Związku radzieckim, próbki odzyskano następnego dnia.