1962年8月27日,“水手二号”探测器成功发射。它的主要任务是飞越金星并传回行星的大气、磁场以及质量等数据。
与“水手1号”结构基本一致,“水手2号”探测器总重量为202.8千克,携带了包括微波辐射计,红外线辐射计,磁通门磁力计,宇宙尘探测器,太阳等离子光谱仪,高能粒子探测器在内的6台科学仪器。另外,还装备了两片183厘米X76厘米以及152厘米X76厘米的太阳能板,用于供应长距离飞行时所需要的电源。
从地面发射之后,“水手2号”首先进入了118公里的地球轨道,发射44分钟之后,太阳能电池板完全展开,8月29日,各种科学仪器开始了正常的工作。但之后,由于探测器的碰撞,造成太阳能电池不能正常工作,科学仪器也因此被迫关闭。所幸后来太阳能电池恢复使用,科学仪器除了辐射探测器之外,其他的探测仪器在全程的巡航任务中均正常地维持操作功能。
1962年12月14日,“水手2号”飞越金星。与此同时,它用红外线和微波辐射计对金星进行了42分钟的扫描,测量了金星的云层和表面的温度,探测了金星附近空间和行星空间的粒子,并将所探测的数据传回地球。经过分析表明,金星表面温度至少有425℃,昼夜温度几乎相同,行星表面56~80公里的高度上被密集的云层所覆盖,其主要成分是二氧化碳。
之后,“水手二号”持续传来大量的深空信息,准确地测量了1个天文单位的长度即地球到太阳的距离,并发现了在星际空间里太阳风的相关信息。1963年,“水手2号”和地球的距离达到8740万公里之后联系中断,现在“水手2号”仍在太阳轨道上运行。