結構組成
月球16號下降級位於下部，負責採集月球樣本，與地球進行無線電聯絡，提供所有的電力，同時它還充當上升部分的發射平台。下降級最下方是制動發動機，負責減速、著陸；遊動發動機負責在飛行過程中修正軌道；4個對稱分布的圓柱形推進劑箱，為發動機提供燃料；無線電高度表測試水平與垂直速度及輻射；月球樣品採集裝置擁有鑽臂與空心鑽管，鑽管內有探測器可以感知月岩或月壤的阻力以確定鑽速並且可以自動避開月岩；其他系統包括導航與控制系統、溫度控制系統、無線電接受與發射系統、化學電池和4個可伸縮的緩衝著陸架等。
上升級位於上部，負責把裝有月球樣品的返回艙送回地球。上升級包括提供動力的發動機噴管；3個球形燃料箱；裝有導航設備和化學電池的柱形儀器艙；位於儀器艙上方的球形返回艙，返回艙直徑約50厘米，返回艙的下部是電池和信號發射裝置，中部是裝有鑽管和月壤的樣本艙，頂部為降落傘和下降天線。
發射經過
採集樣本“月球”-16號由質子火箭發射，它先被入241×185千米、傾角51.5度的地球軌道，在圍繞地球運行70分鐘後加速飛向月球。發射後的第二天，“月球”-16號主發動機點火，進行了軌道修正。9月17日，“月球”-16號反推發動機點火，並使“月球”-16號進入110千米、傾角70度（與月球赤道夾角）的初始環月軌道。9月18、19日，分別進行了兩次軌道機動，在完成第一次軌道機動後，“月球”-16號進入110×15千米橢圓軌道；第一次軌道機動將軌道傾角改變為61度，並使軌道下降到106千米。9月20日，在月球軌道上飛行了75小時後，“月球”-16號在近月點時制動發動機點火，6分鐘後，“月球”-16號成功地在0041S、56018E的月球黑暗區域實現軟著陸。此後，“月球”-16號開始執行主要任務。
著陸後不到1小時，“月球”-16號上的自動鑽開始工作，以鑽取月壤樣品，7分鐘後當鑽取深度達35厘米時停止鑽取工作並退出，將月壤樣品密封並送入“月球”-16號的返回艙，鑽取並返回的樣品總重101克。完成此項工作後，“月球”-16號“耐心”地在月球上等待地面發出返回指令，9月21日，“月球”-16號的上面級點火併離開月球，開始3天的“回家”旅程。3天后，“月球”-16號的返回艙安全地降落在蘇聯Dzhozkozgan東南80千米處。
“月球”-16號的發射重量約5800千克，約4米高，底部著陸架夸度約4米。“月球”-16號分成下降級和上升級2個主要部份，前者用於奔月軌道修正、軌道插入（orbital insertion）、向月面降落、月面軟著陸、月壤樣品採集等，並作為上升級的發射平台。上升級將從月球上起飛，攜帶月壤樣品返回地球（必要時可進行軌道修正，但實際上未進行修正），並保證珍貴的樣品能夠回收。
下降級：下降級根據功能需要由如下幾個部分組成，4個圓柱形燃料箱對稱分布在下降級的兩側，它們將在月球軌道轉移、軌道插入、軌道修正時向主發動機提供燃料；無線電高度表將提供水平和垂直兩個面的下降速度和周圍的輻射，只要的足夠的動力它將持續工件到上升級起飛；化學電池向月球16號所有系統提供動力，並且在著陸後可以在月面提供數天動力。其它還包括溫控系統、導航敏感器和控制系統以及無線電發射機和接收機等，它們均由電池提供動力。4個可伸縮的著陸桁架起減振作用，避免著陸時由著陸月面產生的撞擊。
“月球”-16號在下降前，導航系統使“月球”-16號進入預定的下降軌道，下降級上的主發動機在準備下降時點火，“月球”-16號沿“自由落體”軌跡抵達月面（圖28）。在主發動機點火前，4個燃料箱連同不再使用的導航系統一同被拋掉。月球16號在距離月面600米時，主發動機和4個游機再次點火，並根據“月球”-16號的計算機發出的指令程式改變推力，當下降到20米高度時，降落速度減速到2.5m/s，這時由2個較小的發動機接替主發動機，它們在“月球”-16號著陸前的舜間關機。通過關閉2個低推力發動機，可以大大減少發動機噴出物對月球表面的污染。“月球”-16號著陸後的總質量為1880千克。
一旦抵達月面，下降級上的2個遙測光度表就開始工作。0.9米長的鑽臂具有在水平和垂直兩個面內移動的能力，鑽頭根據程式對著陸區域進行研究，並可以避免月岩或研究特殊地點。自動鑽在工作前需解栓、脫開保護罩，露出鑽管，鑽頭可鏇轉180度。當鑽臂移動到選定位置時，安裝在鑽頭內的感測器將測試月壤的對鑽的阻力，並使蘇聯科學家可以確定月壤的特性。鑽速度可以根據被探測材料的密度進行改變，以防止鑽頭過熱。當完成鑽取月壤時，空心的鑽頭（鑽管？）將收集35厘米深的月壤。完成鑽取工作後，鑽臂抬起，鑽頭翻轉180度，並且將含有月壤的鑽頭送進返回艙，然後抽出。一個自動裝置將把月壤樣品與鑽管密封在返回艙中。
上升級由3部份組成：3個球形燃燒箱和發動機噴管，柱形儀器艙，直徑50厘米的球形返回艙。儀器艙中有導航設備和化學電池。在儀器艙上面是返回艙，返回艙由3部份構成，位於返回艙下部的是是電池和信號發射裝置，另外兩個部份是裝的月壤樣和鑽管的“貨艙”以及位於頂部並裝有降落傘和下降天線的裝置。
“月球”-16號在月面停留26小時25分鐘後，上升發動機根據地面指令點火，當上升級在獲得2.708千米/s的速度後，發動機關機，返回艙開始3天彈道返回。由於從月球上進行的發射和地球插入有很高的精度，所以飛行過程中不需要進行軌道修正。9月24日，在約距地球48000千米時，返回艙與儀器艙分離。返回艙大約以11千米/s的速度進入地球大氣層，再入大氣層後，前緣溫度超過10000攝氏度，過載達50克。最後，返回艙降落傘艙打開，在14.5千米的高度、約300m/s速度時打開減速傘, 當降至11千米時打開主傘。同時4個鞭形天線開始工作，以幫助確定返回艙的位置；同時兩個圓柱形的氣囊充氣膨脹並位於返回艙下部，在返回艙下降的最後時刻，將標出所在位置，並迅速由地面人員取走並送到氦氣環境下的專門實驗室進行研究。
在美國的載人登月計畫取得舉世矚目的成功後，蘇聯在無人探月領域取得了輝煌的成就，在“月球”-16號發射成功後不到2個月，蘇聯成功發射了月球17號，首次實現了無人月球漫遊車探月，又一次震驚了世界。
任務經過
拍攝的月球照片著陸月球
1970年9月12日，四級型的質子號火箭（質子-K/D組級）現將月球16號送入一條遠地點241千米，近地點185千米、傾角51.5度的地球軌道，70分鐘後月球16號調整軌道飛向月球。9月17日，月球16號減速發動機點火，進入一條110千米、傾角70度的環月軌道。在經過多次調整後，月球16號最終進入了一條橢圓軌道。9月20日，月球16號開始沿自由落體軌跡下降，準備著陸前，4個燃料箱和導航系統一起被拋棄。距離月表600米時，月球16號再次啟動發動機。下降到20米時，速度減至2.5米每秒，主發動機關閉，兩個小型發動機接替其工作。著陸瞬間，所有發動機均被關閉。至此，月球16號成功實現軟著陸，著陸後的月球16號質量為1.88噸。
取得月球樣本
抵達月面1小時後，下降級上的月樣採集系統開始工作。鑽臂長0.9米，可在水平與豎直兩個方向上移動。工作前鑽具自動解栓，脫開保護罩，露出空心鑽管。鑽頭內有探測器，可感知阻力，鑽頭外形類似牙科醫生使用的鑽頭。UTC時間9月20日6點30分，在選擇好合適的地點後，鑽頭開始工作，7分鐘內就鑽進35厘米，取得101克月球樣本。完成鑽進後，鑽臂抬起，鑽頭翻轉180°，將樣本與鑽頭送進返回艙。接著，鑽桿與鑽頭自動分離，樣本被密封起來。
返回地球
在月面停留了26小時後，9月21日。上升級接收到地面指令發動機點火，上升級速度達到2.708千米後，發動機關閉。三天后接近地球。9月24日，距離地球4.8萬千米時，返回艙和儀器艙分離。接著，返回艙以每秒11千米的速度進入大氣層，過載達到50G，前端溫度最高時達到10000攝氏度，在空中發出耀眼的白光。不久，降落傘艙被打開，降至14.5千米、速度每秒300米時減速傘被打開；降至11千米時主傘打開、4個鞭形天線開始工作，向地面提供返回艙位置，兩個圓柱形氣囊充氣膨脹，做好最會的著陸準備。9月24日，月球16號返回艙成功降落在Dzhozkozgan東南處80千米位置。很快就鑽頭與月樣被工作人員用直升機運往莫斯科的一處氦氣環境實驗室進行研究。
