Космический аппарат был создан на базе автоматической станции «Луна-10». Вместо отделяемого герметичного контейнера - искусственного спутника Луны - на космическом аппарате «Луна-11» был установлен неотделяемый приборный контейнер, в котором были размещены служебные и научные приборы.

В одном из навесных отсеков КА были установлены фототелевизионные установки, объективы которых были направлены в сторону корректирующе-тормозной двигательной установки (КТДУ).

Для проведения съемки лунной поверхности был доработан прибор управления, обеспечивший стабилизацию аппарата в течение 3 часов после окончания торможения и выхода на орбиту вокруг Луны. По окончании съемки аппарат переводился в режим «закрутки».

В связи с увеличением времени работы прибора управления для «сброса» тепла был разработан радиатор-охладитель в виде усеченного конуса, расположенного вокруг приборного отсека.
Приемоответчик дециметрового диапазона РКТ-1 заменен радиокомплексом также дециметрового диапазона РК-Д, обеспечившим прием команд, передачу телеметрической информации в режиме непосредственной передачи и в записи на магнитофон с последующим воспроизведением, внешнетраекторные измерения, съемку лунной поверхности и передачу изображений на Землю.

Автоматическая станция «Луна-11» была запущена 24 августа 1966 года с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Молния-М». Старт к Луне осуществлялся с промежуточной околоземной орбиты.

На трассе перелета к Луне 26 августа была проведена коррекция траектории. При подлете к Луне 28 августа была построена лунная вертикаль, и включена двигательная установка на торможение на ~5 минут раньше расчетного времени. В результате, после торможения станция «Луна-11» вышла на орбиту искусственного спутника Луны со следующими параметрами: высота в апоселении 1193,6 км (1512 км по расчету), в периселении 163,5 км (100 км), наклонение 10,7° и период орбиты 177,66 минут (191,88 минут).

Через ~2 часа после торможения были включены фототелевизионные установки, которые проработали 64 минуты. Вследствие нерасчетного положения, занятого КА после торможения, в объективы фотокамер вместо Луны попало космическое пространство. По этой же причине не было получено информации со спектрофотометра УС-3.

За 34 суток активного существования спутника на орбите Луны с аппаратом было проведено 139 сеансов связи, получена ценная информация с научных приборов, кроме УС-3, а также отказавших в полете прибора РФЛ-1 для обнаружения рентгеновского флуоресцентного излучения Луны и гамма-спектрометра 3134-03, предназначенного для исследования интенсивности и спектрального состава гамма-излучения лунной поверхности.
В связи с отказом ряда научных приборов программа полета станции «Луна-11» была выполнена не в полном объеме.