Luna 5 dilancarkan bersama roket pengiring Molniya-M di Baikonur Cosmodrome. Diterbangkan tepat jam 07:49:37 UTC pada 9 Mei 1965. Kapal angkasa dan bahagian atas Blok L berjaya memasuki orbit bumi. Sebelum Blok L memicu Luna 5 maju ke orbit bulan. Luna 5 merupakan kapal angkasa lepas pertama milik Soviet yang dilancarkan ke bulan dalam tempoh 2 tahun. Misi sebelumnya yang berjaya dilancarkan ialah Luna 4 termasuk dengan 3 rekod kegagalan misi tersebut antaranya E-6 No.6 dan E-6 No.5 pada tahun 1964 serta Kosmos 60 pada tahun 1965.