17 сентября в 2 часа 38 минут 14 секунд было произведено включение двигателя, который, отработав 236 секунд, обеспечил торможение и выход автоматической станции «Луна-16» на орбиту Луны с параметрами 118,6×102,6 км.

20 сентября была вновь включена двигательная установка, которая обеспечила торможение и сход с орбиты станции «Луна-16». Высота над поверхностью Луны на начало торможения составила 13,28 км, а на момент выключения двигателя — 2,45 км. После выключения двигателя аппарат в течение 43 секунд совершал свободное падение. На высоте 600 метров от поверхности вновь начал работать основной двигатель станции в режиме регулируемой тяги в соответствии с выбранной программой управления и поступающей информацией от допплеровского измерителя скорости ДА-018 и радиовысотомера «Вега».

На высоте 20 метров скорость станции была снижена примерно до 2 м/сек. 

В итоге 20 сентября в 8 часов 18 минут автоматическая станция «Луна-16» совершила мягкую посадку на поверхность Луны в районе Моря Изобилия.

В процессе работы на поверхности Луны по команде с Земли было включено грунтозаборное устройство, и начались операции по забору грунта, включая бурение грунта до глубины 35 см. Взятые образцы грунта были помещены в контейнер возвратной ракеты и загерметизированы.

Старт возвратной ракеты с поверхности Луны с образцами лунного грунта состоялся 21 сентября в 10 часов 43 минуты 21 секунду. Продолжительность обратного перелета составила 84 часа.

24 сентября за 8 часов до входа спускаемого аппарата в атмосферу Земли произошло его отделение от возвратной ракеты. 

Скорость входа в атмосферу составила 10 950 м/с, а максимальные перегрузки, действующие на спускаемый аппарат в процессе аэродинамического торможения, достигали 315 единиц. Спускаемый аппарат совершил мягкую посадку в 80 км юго–восточнее Джезказгана. Программа полета станции «Луна-16» была выполнена полностью.

Впервые в истории мировой космонавтики был доставлен грунт с Луны в автоматическом режиме.