С космодрома Байконур, 30 ноября 1964 года состоялся запуск 4-х ступенчатой ракеты-носителя среднего класса Молния T103-16 с межпланетной станцией программы Марс из серии М-64 на борту. Космический аппарат предназначался для передачи информации о межпланетном пространстве, проведения с пролетной траектории научных исследований, в том числе получения снимков Марса и изучения космического пространства около планеты.

Последняя, четвертая ступень ракеты-носителя с космическим аппаратом была выведена на промежуточную орбиту искусственного спутника Земли, и затем, при повторном включении ракетного двигателя, обеспечила старт и необходимое прибавление скорости для полета к Марсу. После отделения АМС от четвертой ступени ракеты-носителя развернулись антенны, раскрылись панели солнечных батарей.

Путем соответствующей ориентации всего космического аппарата, солнечные батареи были направлены на Солнце. По причине не полного раскрытия солнечных батарей был зафиксирован пониженный уровень электропитания. Было указано, что по данным телеметрии, полученным в первых сеансах связи, энергоснабжение на борту станции вдвое меньше ожидаемого.

Проведение некоторых динамических манипуляций с аппаратом способствовало раскрытию солнечных батарей 15 декабря 1964 года. Однако запланированная дата коррекции траектории полета уже прошла. Кроме того, полная работоспособность аппарата достигнута не была, в связи с длительным пониженным электропитанием бортовых систем. В ходе дальнейшего полета произошли отказы этих систем.

Исходя из расчета движения станции на основании данных траекторных измерений, можно предполагать, что 6 августа 1965 года Зонд-2 осуществил неуправляемый пролет около Марса и продолжил полет по околосолнечной орбите.

Впервые в условиях космического полета проведено испытание плазменных электрических ракетных двигателей в качестве исполнительных органов системы ориентации, на борту имелось 6 таких двигателей.