Автоматическая межпланетная станция «Луна-18» была запущена с космодрома Байконур 2 сентября 1971 года с помощью четырехступенчатой ракеты-носителя «Протон-К». На трассе перелета к Луне 4 и 6 сентября были выполнены коррекции траектории.
При подлете к Луне в результате торможения с помощью КТДУ 7 сентября 1971 года автоматическая станция «Луна-18» вышла на орбиту искусственного спутника Луны. Однако из-за методической ошибки включение КТДУ прошло на 15 секунд раньше расчетного времени, в результате чего параметры окололунной орбиты после первого торможения сильно отличались от расчетных.
Для обеспечения посадки станции в расчетный район Луны должны были быть проведены две коррекции, причем после второй коррекции высота орбиты в периселении должна была составлять 16-17 км. С целью экономии топлива было принято решение ограничиться одной коррекцией орбиты, которая была проведена вне зоны радиовидимости. Однако в результате включения двигателя вместо расчетных Нπ=16,9 км и Нα=123,9 км фактически были получены Нπ=93,4 км и Нα=180,3 км.
В результате анализа телеметрической информации было установлено, что программный угол тангажа в два раза меньше расчетного вследствие заниженной в ~40 раз эффективности одного из двигателей стабилизации, в который не поступал окислитель, и тяга образовывалась лишь за счет истечения горючего. С целью исправления траектории в зоне радиовидимости была проведена дополнительная коррекция.
11 сентября 1971 года была включена двигательная установка для схода с орбиты. Однако в результате ненормальной работы того же двигателя стабилизации получился перерасход горючего, и при проведении второго торможения упала эффективность двигателей стабилизации по всем трем каналам. В результате угол крена получился на 10° меньше расчетной величины, что повлекло за собой нерасчетные аварийные условия спуска на поверхность Луны.
Связь с космическим аппаратом прекратилась 11 сентября 1971 года в 10 часов 47 минут 16,5 секунды. По расчетам, станция «Луна-18» достигла поверхности Луны в районе материка, окружающего море Изобилия, в точке с координатами 3° 34′ с. ш. и 56° 30′ в. д.