Po starcie pojazd znalazł się trajektorii translunarnej mającej postać silnie eliptycznej orbity okołoziemskiej. Charakteryzowała się ona perygeum na wysokości 209 km, apogeum 413 000 km i inklinacją 30.7°. Była to okołoksiężycowa trajektoria swobodnego powrotu. Po optymalizacji podczas trzech manewrów pozwalała na oblot Księżyca i wykorzystanie jego pola grawitacyjnego do powrotu w okolice Ziemi. Takie podejście zostało wcześniej zastosowane podczas radzieckich misji demonstracyjnych Zond 5 (start 15 września 1968 r, lądowanie 22 września 1968 r), Zond 6 (start 10 listopada 1968 r, lądowanie 17 listopada 1968 r), Zond 7 (start 7 sierpnia 1969 r, lądowanie 14 sierpnia 1969) i Zond 8 (start 20 października 1970 r, lądowanie 27 października 1970 r) oraz podczas amerykańskich misji załogowych Apollo 8 (start 21 grudnia 1978 r, lądowanie27 grudnia 1968 r ), Apollo 10 (start 18 maja 1969 r, lądowanie 26 maja 1969 r), Apollo 11 (start 16 lipca 1969 r, lądowanie 24 lipca 1969 r), oraz Apollo 13 (start 11 kwietnia 1970 r, lądowanie 17 kwietnia 1970 r) po wybuchu zbiornika ciekłego tlenu.
24 października o godzinie 08:29 UTC (14.5 godziny od startu) wykonano pierwszą korektę optymalizującą parametry orbity. Kolejna korekta odbyła się 25 października. Trzecia planowana korekta została anulowana z uwagi na dużą precyzję poprzednich.
27 października pojazd wykonał oblot Księżyca. Statek wszedł w strefę przeważających oddziaływań grawitacyjnych Księżyca o godzinie 13:30 UTC. Minął go w najmniejszej odległości 11 300 km o godzinie 19:03 UTC. W tym czasie Księżyc znajdował się w odległości 373 000 km od Ziemi. Największe zbliżenie miało miejsce po niewidocznej stronie Księżyca. Następnie pojazd został skierowany na orbitę powrotną wiodącą do Ziemi w sposób naturalny, przez pole grawitacyjne Księżyca. Podczas lotu powrotnego wykonano dwie korekty trajektorii. Pojazd znajdował się na trajektorii kolizyjnej z Ziemią. W czasie przelotu kamera zainstalowana na statku uzyskała zdjęcia powierzchni Księżyca oraz wspólne obrazy Ziemi i Księżyca.