Специалисты НИИ-885 (сегодня он называется «Российские космические системы») в кратчайшие сроки разработали для космической станции наземную аппаратуру приёма-передачи сигнала и первый бортовой передатчик для дальней космической связи, работавший в ультракоротковолновом диапазоне. Головным разработчиком автоматической межпланетной станции выступило ОКБ-1 (РКК «Энергия» имени С.П. Королёва). В создании «Луны-3» также участвовали коллективы НИИ телевидения, Красногорского механического завода (Красногорский завод имени С.А. Зверева), НИИ-1 Минавиапрома (Исследовательский центр имени М.В. Келдыша), Математического института имени В.А. Стеклова и других предприятий.
Заместитель руководителя отделения разработки перспективной аппаратуры навигации Рудольф Бакитько, который был одним из разработчиков бортового передатчика, рассказал, что для контроля управления спутником был применён новаторский метод манёвра частоты, позволяющий при ограниченных мощностях и потенциалах радиолинии с точностью до нескольких сотен метров определить расположение космического аппарата. В соответствии с выбранной орбитой «Луна-3» приблизилась на расстояние 6500 километров к поверхности Луны и под воздействием её гравитации изменила направление движения.
Это позволило получить траекторию полёта, удобную как для фотографирования Луны, так и для передачи на Землю полученной информации. Благодаря этому СССР совершил ещё один прорыв в истории космонавтики – впервые в мире на практике был осуществлен гравитационный манёвр. Это позволило станции выполнить фотографирование невидимой стороны Луны и передать снимки по телевизионному каналу на Землю. Кроме того, с помощью «Луны-3» проводились научные исследования космической радиации, состава межпланетного газа, корпускулярного излучения Солнца, наличия тяжёлых ядер и однозарядной компоненты в космическом излучении, а также микрометеоров.
