Misja wystartowała w dniu 19 stycznia 1967 o godz. 12:43:00 UTC ze stanowiska startowego 41/1 kosmodromu Plesieck (ZSRR) za pomocą rakiety nośnej Wostok-2 (nr N15001-05).
Kosmos 138 / Zenit-2 nr 45 należał do pierwszej generacji wojskowych satelitów foto rozpoznawczych Zenit w wersji 2 (nie było wersji Zenit-1), który wykonywał zdjęcia w niskiej rozdzielczości, a po 8 dniach kapsuła z filmem powracała na ziemię.