Der Orbiter maß lunare Gamma- und Röntgenstrahlung, um die chemische Zusammensetzung der Mondoberfläche zu erkunden. Des weiteren erkundete Luna 11 gravitative Anomalien des Mondes, die Meteoritendichte in Mondnähe und die Intensität harter Korpuskularstrahlung. Nach 277 Mondumrundungen fiel die Sonde am 1. Oktober 1966 aus.