Misja wystartowała w dniu 27 marca 1969 o godz. 22:22:00 UTC ze stanowiska startowego LC-36A CCAFS (Launch Complex 36A, Cape Canaveral Air Force Station) na Florydzie (USA) za pomocą rakiety nośnej Atlas-SLV3C Centaur-D1A (nr AC-19).
Był to drugi ze statków Mariner, którego zadaniem było dotarcie w okolice Marsa. Założeniem był przelot nad równikiem i południowym regionem polarnym. Sonda miała dokonać analizy atmosfery i powierzchni za pomocą zdalnych czujników oraz zarejestrować i przesyłać zdjęcia powierzchni.
W dniu 5 sierpnia 1969 sonda przeleciała w odległości 3430 km od powierzchni planety.
Eksperymenty zainstalowane na sondzie:
- NSSDCA ID: 1969-030A-01 – Mars TV Camera,
- NSSDCA ID: 1969-030A-02 – IR Spectrometer,
- NSSDCA ID: 1969-030A-03 – Two-Channel IR Radiometer Mars Surface Temperature,
- NSSDCA ID: 1969-030A-04 – UV Spectrometer,
- NSSDCA ID: 1969-030A-05 – Celestial Mechanics,
- NSSDCA ID: 1969-030A-06 – S-Band Occultation,
- NSSDCA ID: 1969-030A-07 – Thermal Control Flux Monitor (Conical Radiometer),
- NSSDCA ID: 1969-030A-08 – General Relativity,
Autorstwa NASA – NSSDCA