梅雨の時期にも拘わらず予定通り、7月4日未明3時12分に打ち上げられた。わが国の月・惑星探査の幕開けを高らかに宣言するように、轟音を響かせ、眩い光を放ちながら機体は上昇した。快晴の夜の打上げであり、ロケットは第3段の燃焼までも目視で確認できた。遠く延岡から打上げの軌跡を撮影した人もいたくらいである。半地下の管制室も揺れた。

M-V-3号機は予定通りの軌道を順調に飛翔し、第3段までの燃焼でひとまず低高度の地球周回軌道（パーキング軌道）に乗った。約20分後、第4段は所定の方向に向けて点火され、探査機を予定の月遷移軌道に投入した。ただ、第4段点火時にテレメータデータを実時間で取得する手段を用意していなかったため、探査機が予定の月遷移軌道に投入されたことの最終確認には、海外局の追跡情報により軌道が確定されるまでの数時間を要した。さまざまな傍証から、成功したに違いないと確信しながらも、晴れて成功と言いにくいもどかしさを感じた数時間であった。