Le lancement de Luna 1 a lieu le 2 janvier 1959 depuis Baïkonour et constitue le premier lancement réussi du programme de sondes interplanétaires Luna. Le même jour, Luna 1 devint le premier objet créé par l'homme à atteindre la vitesse de libération de la Terre s'affranchissant ainsi de l'attraction terrestre. En traversant la ceinture extérieure de Van Allen, les mesures effectuées par son scintillateur permettent de découvrir que celle-ci contient très peu de particules à haute énergie.
Le 3 janvier, à une distance de 113 000 km de la Terre, Luna 1 libére un nuage de sodium gazeux (1 kg) faisant de cette sonde la première comète artificielle. La traînée lumineuse orange ainsi créée, visible au-dessus de l'Océan Indien et d'une luminosité comparable à une étoile de magnitude 6, a permis aux astronomes de suivre la sonde. Cela a servi également à observer le comportement du gaz dans l'espace. Luna 1 s'est approchée à 5 995 km de la surface de la Lune le 4 janvier après 34 heures de vol. Elle s'est ensuite mise en orbite autour du Soleil dans une région comprise entre la Terre et Mars devenant par la même, le 12 juillet 1959, le premier corps artificiel à orbiter autour du Soleil. Beaucoup d'observateurs pensent cependant que la sonde finira par s'écraser sur la Lune ce que la sonde Luna 2 parviendra à faire quelques mois plus tard.