1969年5月16日、ベネラ5号は地球周回軌道離脱用ロケットと共にTyazheliy Sputnik(69-001C)として宇宙待機軌道に打ち上げられた後、金星に向かう軌道に乗った。金星に到達すると、科学観測器機を搭載した405 kgの降下カプセルが軌道モジュールより分離され、パラシュートを開いて減速しながら降下を開始した。
1969年5月16日、カプセルは降下中53分間に渡って金星からの大気状態を送信し続けたが、耐圧限界を超えて機能を失い、金星夜側、南緯3度、東経18度の地点へ墜落した。なお探査機には国家紋章とレーニンのレリーフが刻まれたメダルも搭載されていた。