Il 7 ottobre Lunik 3 fotografa per la prima volta la faccia nascosta della Luna; comincia infatti la ripresa delle immagini, di cui la prima da una distanza di 63.500 km. In tutto sono effettuate 29 foto coprendo il 70% della superficie lunare. Dopo il completamento delle riprese la sonda sorvola il polo Nord lunare e riprende la direzione per la Terra. La trasmissione delle immagini dalla sonda verso la base a Terra inizia l’8 ottobre, ma gli scienziati russi si trovano di fronte ad una qualità molto bassa. Il contatto con la sonda si perde il 22 ottobre. Il suo rientro in atmosfera con relativa disintegrazione è previsto tra il marzo e l’aprile del 1960, ma probabilmente Lunik 3 rimane in orbita fino al 1962.