Дата старта: 14 февраля 1972 г., 6 часов 27 минут 58 секунд МСК. Ракета-носитель: "Протон-К" с разгонным блоком Д. Масса КА: 5725 кг. Масса возвратной ракеты: 512 кг. Масса спасаемого аппарата: 34 кг. Космический аппарат "Луна-20" был предназначен для посадки на Луну, взятия лунного грунта и доставки его на Землю. Космический аппарат 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 65њ.
    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 3њ 32' с.ш. и 56њ 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".