Chociaż podobna w budowie do Heliosa 1, druga sonda miała ulepszone systemy, zaprojektowane tak, aby umożliwić dłuższe funkcjonowanie.
Sonda została wystrzelona 15 stycznia 1976 roku z kosmodromu Cape Canaveral Air Force Station na Florydzie. Podobnie jak jej bliźniak, Helios 2 został umieszczony na orbicie heliocentrycznej. Łączność z sondą była utrzymywana z niemieckiego Centrum Operacji Kosmicznych pod Monachium.
W przeciwieństwie do Heliosa 1, Helios 2 przeleciał około 3 miliony kilometrów bliżej Słońca, osiągając peryhelium 17 kwietnia 1976 roku, w odległości 43,432 mln km (0,29 au), dzięki czemu stał się w tym czasie rekordzistą najbliższego przelotu od Słońca. W rezultacie sonda została wystawiona na 10 procent więcej ciepła (lub 20 °C więcej) niż jej poprzednik.
Sonda dostarczyła ważnych informacji na temat plazmy słonecznej, wiatru słonecznego, promieniowanania kosmicznego i pyłu kosmicznego, a także przeprowadziła eksperymenty badające pola magnetyczne i elektryczne. Oprócz badań Słońca i środowiska słonecznego, zarówno Helios 1, jak i Helios 2 obserwowały warkocze pyłowe i