Gestartet als Tochterkörper der erdumkreisenden Plattform Tyazheliy-Sputnik. Zond 2 flog auf einer langen, bogenförmigen Bahn zum Mars . Ein experimentelles Ionentriebwerk wurde vom 8. - 18. Dezember 1964 erfolgreich getestet. Durch den Ausfall eines Sonnenzellen-Paneels stand allerdings nur die Hälfte der geplanten elektrischen Energie zur Verfügung.
Nach einer Bahnkorrektur ging die Funkverbindung zur Sonde Anfang Mai 1965 verloren. Zond 2 passierte den Mars am 6. August 1965 in einer Entfernung von 1500 km, ohne jedoch Messdaten zu übermitteln.