Автоматический космический комплекс по доставке грунта с Луны состоял из посадочной платформы, возвратной ракеты и спасаемого аппарата. Подробное описание комплекса приведено в статье "Луна-16".

Автоматическая станция "Луна-15" была запущена с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя "Протон-К" 13 июля 1969 года. Старт к Луне осуществлялся с промежуточной околоземной орбиты.

На трассе перелета к Луне 14 июля была проведена коррекция траектории. 17 июля была включена двигательная установка над обратной стороной Луны для уменьшения скорости движения, в результате чего станция "Луна-15" перешла на окололунную орбиту.

После проведения двух коррекций (19 и 20 июля) была сформирована орбита посадки: высота в апоселении - 110 км, высота в периселении - 16 км, наклонение 127°, период орбиты -1 час 54 минуты.

21 июля 1969 года в 18 часов 46 минут 43 секунды была включена двигательная установка для схода с орбиты. Первый этап снижения с помощью двигателя большой тяги должен был завершиться через 267,3 секунды после включения на высоте ~2,5 км. Однако сигнал с космического аппарата внезапно пропал на 237-й секунде снижения в 18 часов 50 минут 40 секунд, причем параметры бортовых систем аппарата на момент пропадания сигнала были в норме.

Вероятной причиной аварии мог быть удар станции "Луна-15" о гору, что вполне возможно, если допустить ошибку в положении КА, на момент прохождения команды запуска двигателя, в сторону от трассы ~15 км и вдоль трассы ~45 км. Программа полета станции "Луна-15" не была выполнена.