Zbliżenie do Wenus nastąpiło 14 grudnia 1962. Najmniejsza odległość do planety wyniosła 34 773 km i nastąpiła o 19:59:28 GMT. Na czas zbliżenia włączono radiometry sondy i rozpoczęło się badanie planety. Trwało ono przez 42 minuty. Po zbliżeniu statek przełączono ponownie w tryb rejsowy. Mariner 2 przeszedł przez peryhelium swojej orbity 27 grudnia, w odległości 105 464 560 km od Słońca. W aphelium znalazł się 18 czerwca 1963. Ostatnia transmisja z sondy została odebrana 3 stycznia 1963, o godz. 07:00 GMT. Odległość od Ziemi wynosiła wtedy ok. 87 milionów km, od Wenus 9 milionów km. Prawdopodobnie specjalny czujnik, który wypatrywał Ziemię i nakierowywał na nią anteny sondy, przestał już odróżniać Ziemię na tle gwiazd. Mariner 2 do tej pory pozostaje na orbicie okołosłonecznej.