Было проведено четыре сеанса картографирования поверхности Луны. Запланированный пятый сеанс был отменён в связи со значительным понижением перицентра орбиты (с 24,5 км 9.06.1974 г. до 15,4 км 12.06.1974 г.). Полученные телевизионные панорамы отличались высоким разрешением и хорошим качеством. Одновременно со съёмкой с помощью радиовысотомера «Вега» подробно изучался характер рельефа разных участков и определялся химический состав лунных пород по их гамма-излучению.
Для повышения орбиты 13 июня была проведена коррекция, в результате чего высота апоселения выросла до 299 км, а периселения до 181 км. Период орбиты - 2 ч 11 мин 34 с.
На втором этапе полёта, уже по селеноцентрической орбите, проводились гравитационные, научные и инженерно-технические исследования.
Для уточнения модели гравитационного поля спутника Земли 11 ноября «Луна-22» была переведена на орбиту с параметрами: максимальная высота над поверхностью небесного тела - 1437 км, минимальная высота - 171 км, наклонение к плоскости лунного экватора - 19° 33', период обращения - 3 часа 12 мин.
В ходе полёта:
♦ получены данные о потоках космических лучей с временным разрешением ~ 20 мин;
♦ на высотах 17-20 км обнаружены локальные магнитные поля величиной в — 100 γ и протяжённостью от нескольких до 50-60 км;
♦ получено большое количество рентгеновских и гамма-спектров по одному или нескольким общим признакам: координаты ЛКА над лунной поверхностью, положение относительно Солнца, уровень активности последнего;
♦ получены данные о рентгеновском излучении Солнца;
♦ получены флуоресцентные спектры лунной поверхности и спектры на трассе перелёта Земля-Луна;
♦ при помощи прибора АКР-1 было исследовано спорадическое излучение Солнца и Юпитера. Отмечено повышение активности Юпитера после солнечных протонных вспышек;
♦ проведено двухчастотное радиопросвечивание окололунного пространства. Получены высотные профили распределения электронной концентрации в окололунном пространстве.
Общее время активного существования «Луны-22» составило 18 месяцев, что превысило запланированное в шесть раз.
Программа полёта была выполнена полностью.
С целью ещё раз доставить образцы лунного грунта на Землю 28 октября 1974 г. в 17 ч 30 мин 32 с «Протон-К» вновь направил ЛКА к нашей соседке - Луне. На сей раз это была «Луна-23» (Е8-5М №410). Примечательно, что начиная с «Луны-15», стартовая масса всех последующих «лунников» была примерно одинаковой - 5700-5800 килограммов. Возвращаемая капсула, то есть «сухой остаток» миссии - 34-35 кг.
На посадочной платформе стояло новое усовершенствованное грунтозаборное устройство (ГЗУ). Оно было создано Конструкторским бюро общего машиностроения (КБОМ) и его Ташкентским филиалом (впоследствии ТашКБМ) под руководством академика В.П. Бармина. Заказчиком ГЗУ и практически одним из создателей его являлось НПО им. С.А. Лавочкина.
В связи с жёсткой установкой ГЗУ на корпусе посадочной ступени из состава аппаратуры были исключены телефотометры и светильники. Конструкция возвратной ракеты и спасаемого аппарата остались без изменений, за исключением герметизируемой капсулы для размещения грунта, чей диаметр был увеличен с 68 до 100 мм.
На трассе перелёта 31 октября была проведена коррекция траектории. При подлёте к Луне 2 ноября включением двигателя КТДУ проведено торможение, и станция вышла на орбиту ИСЛ, близкую расчётной.
Для обеспечения посадки 4 и 5 ноября были осуществлены коррекции орбиты. В результате станция перешла на эллиптическую орбиту с максимальной высотой над поверхностью Луны 105 км и минимальной высотой 16 км 290 м.
В заданное время 6 ноября была включена ДУ для схода ЛКА с орбиты. Первый этап торможения прошёл штатно и закончился на высоте 2 км 280 м.
После выключения двигателя включился доплеровский измеритель скорости ДА-018. На высоте 400-600 м переключение на второй диапазон измерений по каналу дальности не произошло, поэтому скорость к моменту посадки более чем вдвое превысила допустимую (11 м/с вместо 5 м/с). К тому же площадка места посадки оказалась с углом наклона 10-15°. При скорости и перегрузках, вдвое превышавших допустимые, в момент посадки произошло опрокидывание аппарата, что привело к механическому повреждению объекта, разгерметизации приборного отсека и отказу дециметрового передатчика.