Запуск АМС осуществлялся в рамках космической программы «Марс», направленной на изучение этой планеты. «Марс-2» состоял из орбитальной станции и спускаемого аппарата. Этот тандем позволял, по замыслам конструкторов, исследовать планету, как с её орбиты, так и с поверхности. Спускаемый аппарат нёс автоматическую станцию, которая после посадки должна была начать исследование планеты по заданным параметрам. Это должна была быть первая попытка в мире мягкой посадки аппарата на поверхность Марса.

Запуск ракеты-носителя протон с АМС «Марс-2» состоялся 19 мая 1971 года и был произведён с космодрома Байконур. Полёт продолжался более 6 месяцев, после чего АМС «Марс-2» приблизилась к Марсу на расстояние 1380 км.

Дальнейшие события начали развиваться не по плану вследствие программной ошибки в бортовой ЭВМ. Расчёт ориентации станции перед расстыковкой со спускаемым аппаратом оказался неверным, и последний начал спуск под неверным углом. В результате этого, спускаемый аппарат совершил посадку под большим углом и разбился о поверхность планеты. Таким образом, миссия АМС «Марс-2» оказалась выполненной лишь отчасти (станция вышла на орбиту Марса и работала на ней около 8 месяцев), но спускаемый аппарат советской станции стал первым аппаратом с Земли, достигшим поверхности Марса. На станции «Марс-2» были опробованы новейшие системы, в том числе система автономной космической навигации и многие другие.

Стоит отметить, что буквально через несколько дней, 2 декабря 1971 года другая советская АМС «Марс-3» сумела доставить на поверхность Марса спускаемый аппарат методом мягкой посадки. Несмотря на то, что он проработал на поверхности всего около 14 секунд, это было настоящим прорывом и достижением советской космонавтики.