Автоматическая станция "Венера-6" являлась полным аналогом станции "Венера-5", как по конструкции, задачам и схеме полета, так и по составу научной аппаратуры.

• 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-6" была запущена с космодрома Байконур 10 января 1969 года ракетой-носителем "Молния-М".

Коррекция траектории полета "Венеры-6" была проведена 16 марта 1969 года, когда станция находилась на расстоянии около 15 535 тысяч км от Земли, при этом величина корректирующего импульса составила 37,4 м/с. Трехосная ориентация перед проведением коррекции была построена по Солнцу и Сириусу.

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 и в 300 км от места входа в атмосферу спускаемого аппарата "Венеры-5". Станция "Венера-6" достигла планеты 17 мая 1969 года спустя 127 суток после старта или всего лишь через сутки после прилета "Венеры-5".

После раскрытия парашюта включились научные приборы, и началась передача научной информации на Землю. За время спуска СА в атмосфере радиовысотомер выдал два значения высоты: 32,1 и 21,2 км. Это позволило достаточно точно "привязать" измерения научных приборов в течение всего спуска на парашюте, который длился 50 минут.

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-6" был осуществлен вскоре после раскрытия основного парашюта, когда давление атмосферы составляло около 2 атмосфер и температура приблизительно 85°С. Второй раз состав был исследован при давлении около 10 атмосфер и температуре около 225°С.

Всего за время спуска каждого аппарата на парашюте было выполнено свыше 70 измерений давления и свыше 50 измерений температуры.

Были зарегистрированы различные значения высот, выданные радиовысотомерами автоматических станций "Венера-5" и "Венера-6" при одинаковых значениях температуры и давления, которые отличаются в среднем на 13 км. Этот результат может быть объяснен существованием заметных неровностей рельефа поверхности Венеры в областях спуска аппаратов, отстоящих друг от друга на несколько сотен километров.

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-6" была выполнена полностью.