發射
1972年2月14日，蘇聯成功地發射了月球20號，以完成月球18號未盡的任務，從月球上取回樣品。月球20號首先被送入遠地點238千米、近地點191千米、傾角51.5度的低地球軌道，經過短暫的飛行之後，開始4天半的旅程。
變軌著陸
月球20號 2月15日進行了軌道修正。2月18日月球20號進行了制動，然後進入傾角65度、100千米高的環月球的圓軌道。2月19日，進行變軌，進入高度為21千米的月球軌道，並準備著陸。
2月21日，月球20號根據地面指令，啟動主發動機並工作267秒，探測器降再次低軌道高度，在距離月面760米（比月球16號高160米）時，主發動機關機，2個小型發動機點火。在經過6分鐘的下降後，月球20號安全著陸在3°32'N、56°33'E的地點，距離月球18號撞毀處約1.8千米，距離月球16號著陸處120千米。月球20號是在月球的白天降落的，而月球16號則是在月球夜晚降落的。
月岩採樣
著陸後，地面科學家迅速啟動了月球20號的電視攝像機系統，尋找可能的鑽取月球樣品的地點。在選擇並確定了鑽采點後，鑽臂和鏇轉鑽頭從它停放位置解鎖，鑽頭下降到月面，這一過程大約持續了12分鐘。月球20號的鑽取設備與月球16號的非常相似。鑽頭鏇轉速度為500rpm，鑽頭可深鑽100-150毫米，但由於遇到堅難（tough）的鑽取備件，為防止鑽頭過熱，保護電路，鑽頭自動停止了工作。在鑽取工作完成後，取出樣品，舉起樣品並放入位於月球20號頂端的返回艙內，在月壤和月岩放入艙內後，採用熱封方式密封返回艙。
成功返回
月球20號在月球表面一直停留到2月23日，這時攜帶返回艙的上升級點火升空，並迅速加速到2.7千米/秒，以返回地球。2月25日。大約在52000千米處，返回艙與推進系統分離，然後進入（以與地平線呈30度的角度）大氣層。月球20號返回艙先後打開牽引傘和主傘，最後在蘇聯本土著陸。
樣品分析
蘇聯對取回的月球20號取回的月壤和月岩立刻開展了長期分析。西方對蘇聯取回的樣品仍存在一些疑問，包括取樣的深度與樣品的重量，大多數的分析推測，蘇聯把給出的月球16號的取樣深度和樣品重量數據又用到了月球20號。直到1976年，報導了樣品重量為50~100克，鑽取深度為33厘米，也可能鑽頭遭遇了堅硬的月岩，沒有按計畫取回全（足夠的）部樣品。
月球20號取回的樣品與月球16號的不同。月球20號的樣品大多數為月岩顆粒，而月球16號取回的是basalt（玄武岩）。此外，月球20號的無線電測高儀還測量了月壤的密度。
