Автоматическая станция "Венера-5" явилась дальнейшим развитием станции "Венера-4". По результатам полета станции "Венера-4" орбитальный аппарат остался практически без изменений (был снят только магнитометр СГ 59М), зато спускаемый аппарат подвергся существенной переделке.

По данным, полученным со спускаемого аппарата "Венера-4", была пересмотрена модель атмосферы Венеры. Поэтому спускаемый аппарат станции "Венера-5" проектировался в расчете на внешнее давление 25 атмосфер и температуру у поверхности планеты 290±10°С против 10 атмосфер и 425°С соответственно в предыдущей модели.

Все это вынудило существенно увеличить прочность конструкции СА за счет увеличения толщины стенок. Кроме того, для увеличения жесткости СА с 2 до 2,5 атмосфер было увеличено давление газа внутри спускаемого аппарата. При этом масса СА выросла на 33 кг. Чтобы уложиться в возможности ракеты-носителя "Молния-М" и разгонного блока ВЛ, масса орбитального аппарата была снижена на 14 кг за счет снятия магнитометра.

Возрастание расчетного давления атмосферы позволило также уменьшить величину площади куполов тормозного и основного парашютов - соответственно 1,9 вместо 2,2 м² и 12 вместо 55 м², что должно было привести к уменьшению времени спуска в атмосфере до касания СА поверхности планеты. Купол парашюта был изготовлен из специальной термостойкой ткани, сохраняющей работоспособность при температурах окружающей среды свыше 500°С.

В связи с неустойчивой работой радиовысотомера "Венеры-4" на спускаемый аппарат станции "Венера-5" был установлен модифицированный радиовысотомер. Изменился и состав научной аппаратуры спускаемого аппарата. Район посадки, как и для "Венеры-4", был выбран на ночной стороне планеты.

• датчики давления типа МДД-А для измерения давления атмосферы в диапазоне от 100 до 30000 мм рт. ст. (0,13-40 атм);
• газоанализаторы Г-8 для определения химического состава атмосферы;
• ФО-69 для измерения освещенности в атмосфере;
• ВИП для определения плотности атмосферы по высоте;
• ИС-164Д для определения температуры атмосферы по высоте.

Автоматическая межпланетная станция "Венера-5" была запущена с космодрома Байконур 5 января 1969 года ракетой-носителем "Молния-М".

Как показала обработка данных траекторных измерений, станция "Венера-5" были выведена на межпланетную траекторию с высокой точностью: отклонение действительной траектории от расчетной в районе Венеры составило 25 тысяч км. Для обеспечения попадания автоматических станций на Венеру, а также выбора времени подлета к планете и района входа в ее атмосферу были проведены коррекции траекторий автоматических станций. Район входа в атмосферу Венеры выбирался с учетом того, что диаграммы излучения антенн спускаемых аппаратов при их снижении на парашютах должны быть направлены на Землю. Наиболее благоприятный район входа станций в атмосферу Венеры лежал в центре видимого с Земли диска планеты.

Коррекция траектории полета "Венеры-5" была проведена 14 марта 1969 года, когда станция находилась на расстоянии около 15 525 тысяч км от Земли. При этом станции был сообщен корректирующий импульс величиной 9,2 м/с.

Подлет к Венере осуществлялся с теневой стороны относительно Солнца; место входа станции в атмосферу находилось на ночной стороне планеты на расстоянии примерно 2700 км от линии утреннего терминатора. Станция "Венера-5" достигла планеты 16 мая 1969 года спустя 131 сутки после старта.

После раскрытия парашюта включились научные приборы, и началась передача научной информации на Землю. Все время спуска СА в атмосфере радиовысотомер работал исправно и выдал три значения высоты: 40,4; 31,9 и 23,8 км. Это позволило достаточно точно "привязать" измерения научных приборов в течение всего спуска на парашюте, который длился 52,5 минуты.

В ходе снижения аппарата были проведены измерения температуры, давления, освещенности и химического состава атмосферы планеты на участках, где температура изменялась от 25 до 320°С, а давление от 0,5 до 27 атмосфер, что соответствует диапазону высот от 55 до 18 км над поверхностью. Данные по плотности атмосферы получены не были вследствие дефекта прибора.

Забор проб для анализа газового состава атмосферы производился дважды. Первый анализ состава атмосферы на спускаемом аппарате станции "Венера-5" был осуществлен вскоре после раскрытия основного парашюта, когда давление атмосферы составляло около 0,6 атмосферы, а температура около 25°С. Второй раз состав был исследован при давлении около 5 атмосфер и температуре около 150°С.

Прием сигнала со спускаемого аппарата прекратился при внешнем давлении 27 атмосфер, что превышало расчетные значения для СА (25 атмосфер). При этом до поверхности планеты оставалось еще около 18 км. Программа полета станции "Венера-5" была выполнена полностью.