1968年9月15日，“探测器”-5被发射到219×187 千米、倾角51.5的近地轨道，在发射后的67分钟，运载火箭最后一点火，将“探测器”-5加速到11千米/sec，然后“探测器”-5与火箭分离，脱离地球轨道，进入奔月轨道。
“探测器”-5主要由与“联盟”飞船仪器舱形状相似模块、与“联盟”飞船返回舱形状相似的模块、以及太阳能电池板等部份组成。替代“联盟”飞船轨道舱的是对接装置，假如苏联有登月计划，这将适用于未来苏联月球登陆所需的交会对接。抛物线形天线安装在返回舱上，以便能够从月球附近向地球进行更高质量地传输。“探测器”-5重量约5,800千克（这是质子运载火箭向月球发射的最大重量)。高5.3米，直径2.3米，看来去就像缺少轨道舱的“联盟号”飞船。
发射后的第3天（9月17日），在距离地球325,000千米时，“探测器”-5进行了首次轨道修正,这次探测进入了这样的轨道，它向月球飞近，然后绕到月球背面再飞向地球，在飞行时间大约7天后返回到地面。“探测器”-5在9月18日达到的月球，在距离月球1950千米的最近距离，然后绕过月球背面，从另一边出现并返回地球。
在返回地球途中，距地球14.3万千米处，“探测器”-4进行了第二次轨道修正，以确保能够准确地再入大气层，并在预定的地点着陆。在进入大气层前，返回舱与仪器舱分离，并调整姿态，使防热面对准飞行方向。9月21日（第7天），“探测器”-5以5～6度的再入角度进入大气层。再入时的速度为11千米/sec，热防护层的温度达13000摄氏度，过载达到10～16g，大大超过宇航员能够承受的最大过载。再入大气层的角度要十分准确，再入角度小一度就有可能使“探测器”-5弹出大气层重新进入太空，可能会重新飞向月球。
幸运的是“探测器”-5在预定的限度内进入了一个10～13千米宽的再入走廊，当距离地面7千米时飞行速度已经下降到200m/sec，此时打开降落伞系统。“探测器”-5最终安全地溅落在印度洋，第二天苏联舰队到达回收区，首次成功完成苏联的水面软着陆。在1968年10月4日，恰巧在人类首颗卫星发射11周年的纪念日之时，“探测器”-5被送达印度的孟买市，然后由飞机运回苏联。“探测器”-5成为世界首个绕月飞行并成功返回地球的航天器。
“探测器”-5的成功返回，表明苏联取得了巨大的技术进步。苏联还在飞行中进行了多种试验，最引人注目的是当“探测器”-5绕经月球时，启动了星载磁带录音机，将宇航员录制的“魔幻”声音传回了地球。显然这是为下一步载人绕月飞行的通讯系统进行质量与可靠性试验。“探测器”-5还携带了几种植物和动物进入太空，包括小麦、松树、大麦的种子，细菌、乌龟、果蝇、蠕虫等，将这些生物送入太空的目的，是观察太阳宇宙射线对生物的长期影响。“探测器”-5还携带了几种不同的仪器，用于在飞行中进行辐射强度的测量。
“探测器”-5还携带了成像系统，然而这一系统不需要向“探测器”-3那样进行复杂的星上处理和图像扫描，由于“探测器”-5将返回地球，不需要传真图像发送，这便可以使科研人员在地面上处理返回舱带回的图像。“探测器”-5使苏联首次从深空中得到高质量的照片（包括拍摄的高清晰度地球图片）。 （编辑：张广平）
