Les sondes Mariner 1 et 2 devaient être lancées à 24 jours d'intervalle sur des trajectoires telles qu'elles auraient survolé Vénus avec seulement 3 à 14 jours d'écart.
Plus d'un mois après l'échec de Mariner 1, et après plusieurs interruptions mineures de compte à rebours, le décollage de Mariner 2 a lieu le 27 août 1962 à 6h53 GMT depuis l'aire 12 de la base de lancement de Cap Canaveral.
Durant l'ascension, le contrôle d'un des moteurs Vernier est perdu pendant une minute, entraînant une rotation de la fusée jusqu'à 1 tour/seconde avant que l'attitude ne soit à nouveau maîtrisée. Le véhicule atteint finalement son orbite d'attente à 187 km d'altitude.
À 7h19, l'étage Agena est réallumé pour injecter la sonde sur son orbite de transfert héliocentrique. L'étage est ensuite séparé et éloigné grâce à ses imbrûlés pour que sa luminosité ne trompe pas les capteurs optiques d'orientation de la sonde.
Une heure après le lancement, la sonde est déployée et correctement orientée vers le Soleil et la Terre. Dix heures après le lancement, les premiers calculs télémétriques indiquent qu'elle serait alors passée à environ 380 000 km de la face obscure de Vénus.
Le niveau d'illumination du pointeur vers la Terre était trop faible; on le soupçonna d'être calé sur la Lune, ce qui imposa de retarder d'un jour la manœuvre de correction de trajectoire. Elle fut donc effectuée dans la nuit du 4 au 5 septembre à 2,4 millions de km de la Terre. Cette opération dura plus de 3 h pour seulement 28 s d'allumage, elle ajusta l'altitude de survol prévue à 41 000 km du centre de la planète, côté éclairé. Ce résultat était moyennement satisfaisant car c'est la distance de 16 000 km qui était visée, la cause en était un excès de 5 km/h dans la vitesse finale de la sonde.
La croisière de la sonde fut suivie presque 24h/24 par des stations de poursuite écartée 120° de longitude l'une de l'autre : Goldstone en Californie, Johannesburg en Afrique du Sud et Woomera en Australie. Elle ne fut perturbée que par des incidents qui finalement ne compromirent pas la mission.
Le 8 septembre, une probable collision avec une petite météorite désorienta la sonde. Après qu'elle rétablit son attitude, le pointeur terrestre s'avèra trop faiblement illuminé et on prédit alors que le verrouillage serait perdu entre le 10 et le 15 octobre. Tandis qu'un plan d'urgence était mis sur pied, le même phénomène se reproduisit (impact probable, perte et rétablissement d'orientation), à l'issue duquel le pointeur refonctionna normalement. On attribua ce dysfonctionnement temporaire à l'encrassement du capteur par une poussière issue du premier impact.
Du 31 octobre au 8 novembre, un des panneaux solaires tomba en panne, tous les instruments scientifiques furent éteints pendant cette période pour ne pas surcharger le panneau valide. Les tests sur la réplique au sol attribuèrent cette défaillance à un court-circuit à travers l'isolation en mylar séparant les cellules de leur support. Le panneau défectueux refonctionna pendant une semaine avant d'être définitivement en panne. La sonde s'étant alors suffisamment rapprochée du Soleil, le panneau restant put assumer le fonctionnement des instruments jusqu'à la fin de la mission.
Le 26 novembre, à 36,2 millions de kilomètres de la Terre, la sonde bat le record de distance de communication.
À 9 jours de son objectif, la plupart des équipements de la sonde avaient dépassé de 25 °C les températures prédites. Lors du survol, un tiers des capteurs étaient saturés, le pointeur solaire et la batterie étaient au-delà de leur limite de conception, mais fonctionnaient toujours.
À 2 jours du survol, on découvrit que l'ordinateur embarqué pilotant les opérations serait incapable de commuter le fonctionnement dans le mode approprié, probablement à cause de la surchauffe. Heureusement, il avait été prévu de suppléer les fonctions essentielles par télécommande, ce qui fut fait depuis Goldstone 6 h avant le survol.
La phase de survol eut lieu le 14 décembre et dura 7 h, la sonde passa au plus près à 34 854 km de la surface vénusienne et à la vitesse de 6 743 km/s.
Le passage à proximité de la planète dévia l'orbite héliocentrique de la sonde d'environ 40°. Elle atteint son périhélie le 28 décembre à 105 millions de km du Soleil.
Après le survol, la qualité des messages de la sonde se dégrada progressivement. Le contact fut définitivement perdu le 3 janvier 1963 à 7h. Sur la base des derniers éléments orbitaux connus, deux reprises de contact furent tentées par la station de Goldstone les 28 mai et 16 août, sans succès.
Lors du Tournoi de la parade des roses du nouvel an 1963 à Pasadena (siège du JPL), un char à l'effigie de la sonde commémora ce survol.