30 ноября 1964 года с космодрома Байконур был произведен пуск четырех ступенчатой ракеты среднего класса "МолнияТ103-16". Ракета вывела на орбиту космический аппарат "Зонд-2", который на правился к Марсу.
Полет осуществлялся в рамках программы освоения Марса в СССР и первоначально носил секретный характер. Космический аппарат представлял собой автоматическую межпланетную станцию(АМС) второго поколения серии 3МВ (М-64)программы "Марс".
Космический аппарат предназначался для передачи информации о межпланетном пространстве, проведения научных исследований, в том числе получения изображений Марса с пролетной орбиты, и исследования космического пространства вокруг Марса.
В то же время в официальном сообщении ТАСС цель запуска указывалась как отработка бортовых систем станции в условиях длительного космического полета и научных исследований в межпланетном пространстве. Фактическая цель запуска – научные исследования Марса-не называлась.
Изначально запуск предполагался как вывод на орбиту еще одного спутника. Однако после выхода на околоземную орбиту была запущена последняя четвертая ступень ракеты, которая придала ей необходимую для полета к Марсу скорость и новый старт.
Проблемы начались вскоре после отсоединения АМС от четвертой ступени ракеты. Антенна развернулась нормально, но солнечные батареи развернулись лишь частично. Это означало, что на станцию подавалось только около половины запланированной мощности.
После динамической отработки оборудования проблема была решена, и 15 декабря солнечные батареи были полностью развернуты. Однако при этом было потеряно драгоценное время, и запланированная дата коррекции траектории полета уже прошла. Кроме того, длительное низкое энергоснабжение бортовых систем привело к постепенным отказам вовремя последующих полетов.
Связь с космическим аппаратом была потеряна в мае 1965 года. Из расчетов движения станции по орбитальным измерениям можно предположить, что 6 августа 1965 года "Зонд-2" совершил неуправляемый пролет вблизи Марса и продолжил полет по околосолнечной орбите.