Автоматический комплекс для доставки образцов лунного грунта на Землю "Луна-20" по конструкции, составу оборудования и служебных систем аналогичен автоматической станции "Луна-16".

Автоматическая станция "Луна-20" была запущена с космодрома Байконур 14 февраля 1972 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя "Протон-К".
На трассе перелета к Луне 15 февраля были проведена коррекция траектории.
При подлете к Луне 18 февраля было проведено торможение станции, в результате чего "Луна-20" перешла на круговую селеноцентрическую орбиту с параметрами: высота над поверхностью Луны 100 км, наклонение к плоскости лунного экватора 65°, период обращения вокруг Луны 1 час 58 минут.

С целью формирования условий для схода с орбиты 19 августа была проведена одна коррекция орбиты, в результате чего станция стала совершать полет по эллиптической орбите с максимальной высотой над поверхностью Луны 100 км и минимальной высотой 21 км.

21 февраля в 22 часа 13 минут был включен двигатель посадочной платформы, который проработал 267 секунд и обеспечил сход с орбиты. После выключения двигателя и до высоты 760 метров станция совершала свободное падение. В дальнейшем снижение станции проходило в режиме управляемого спуска, в процессе которого с помощью автоматической системы управления изменялась тяга основного двигателя. Начиная с высоты 20 метров от поверхности Луны, торможение осуществлялось с помощью двигателей малой тяги.

21 февраля в 22 часа 19 минут 09 секунд автоматическая станция "Луна-20" совершила мягкую посадку на поверхность Луны в точке с координатами 3° 32' с.ш. и 56° 33' в.д., на участке лунного материка, примыкающего к северо-восточной оконечности Моря Изобилия.

После посадки было определено положение станции на лунной поверхности, а с помощью телефотометров получены изображения лунной поверхности, по которым было выбрано место взятия образцов лунной породы.

По команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору грунта. В процессе забора грунта дважды срабатывал автомат защиты по току, бурение приостанавливалось, и его снова возобновляли по командам с Земли.

Взятые образцы были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы. После окончания перегрузки грунта в спасаемый аппарат с помощью телефотометра было повторно получено изображение место взятия проб грунта.

Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 23 февраля в 1 час 58 минут. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа. 25 февраля за 8 часов до входа спасаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты. На высоте 15 км была введена в действие парашютная система, и спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 40 км северо-западнее Джезказгана. Программа полета станции "Луна-20" была выполнена полностью.

Главным результатом полета "Луны-20 стала доставка на Землю образцов лунного грунта массой 55 грамм.

Грунт, доставленный станцией "Луна-20", представляет собой рыхлый разнозернистый материал светло-серого цвета, значительно более светлый, чем реголит из Моря Изобилия. По сравнению с грунтом "Луны-16" в нем меньше оплавленных частиц.

Более светлый оттенок реголита "Луны-20" подтверждается исследованием альбедо. Значение альбедо выше, чем у образцов, доставленных "Луной-16", "Аполлоном XI" и "Аполлоном XII".