1966年10月22日，苏联将“月球”-12送入了212×199千米、倾角50.9度的低地球轨道，然後进入奔月轨道。这次任务的目的是获得月球的近距离照片，可能是为了未来的载人登月进行选址。苏联月球-12保留了月球4-11号的发动机和制导系统，但在前端放着仪器舱。苏联宣布它在轨道上的重量为1136公斤。10月15日，“月球”-12进行了中断修正，当“月球”-12距离月表8000千米时，“月球”-12号将飞行方向垂直于月球表面（如同“月球”-8号所做的那样），当距离月球1290千米、速度2.085千米/秒时，制动发动机开始点火并燃烧28秒，将速度从降到1.148千米／秒，并将其推入了1740×100千米、倾角接近0度的月球轨道，“月球”-12号的运行周期为3小时25分。
“月球”-12号携带了光-电视系统与“探测器”-3号的相同，即先由普通光学相机拍摄，在经冲洗、烘干，然后由电视摄像机扫描，并将扫描的图像传回地球。传回的照片为在约100-340 千米处开设的照片，覆盖范围约25平方千米，根据报道其分辨率达到15到20米，每帧为1100线。但苏联公开的照片极少。美国的希尔顿认为，10月29日苏联还没有进行拍摄，第一幅照片的传送时间使推迟了4天，“月球”-12号的定向系统可能出了问题。
除了拍摄任务之外，“月球”-12号继“月球”-10号、11号之后，继续绘制重力场图，继续进行了这方面的工作。此外，还继续测定太阳和宇宙辐射，记录月表的伽玛射线和Ｘ射线荧光辐射。另外，据报道“月球” -12号还对“月球车”-1（Lunokod）的电动机进行了试验。1967年1月19日，在绕越飞行近3个月后，“月球”-12号停止了工作。 （编辑：张广平）
