水手5号于1967年6月14日升空，同年10月19日完成金星飞掠，随后进入日心偏心轨道，稳定的数据传输则持续到了1967年12月。

水手5号探测器艺术图

水手5号原本是水手4号火星探测器的备份机，在后者发射成功后被转作金星考察之用。与以成像为亮点的水手4号不同，水手5号并未配备照相机，而是携带了紫外光度计、行星际等离子体探测器、磁力计、俘获辐射计等，开展的最重要的实验则是借助探测器的S波段载波考察金星大气环境的无线电掩星观测。

水手5号的观测表明，金星地表温度极高，可能超过了500℃，这一数字与其飞掠前一天抵达金星的苏联金星4号着陆器测得的数据相矛盾（后来的分析一般认为金星4号可能出现了高度计故障，因此其测量结果并不能反映金星地表状况）。此外金星的昼半球电离层还存在一道使太阳风偏折的弓形激波。这架探测器还证实了早先水手2号对金星磁场的测量，说明金星磁场极为微弱。