Przebieg misji Sonda Viking 2 została wystrzelona z przylądka Canaveral rakietą Titan 3E z górnym członem Centaur w dniu 9 września 1975.
7 sierpnia 1976 weszła na orbitę Marsa o początkowych parametrach 1500 na 33 000 km z okresem obiegu 24,6 h.
3 września nastąpiło oddzielenie się lądownika, który wylądował na powierzchni planety na równinie Utopia Planitia tego samego dnia o godzinie 22:37:50 UTC. Lądownik przekazał w sumie 3542 zdjęcia. Aparatura lądownika została wyłączona w dniu 11 kwietnia 1980 z powodu awarii akumulatorów.
Orbiter podczas swojej misji wykonał szereg manewrów, które zwiększyły inklinację jego orbity, dzięki czemu możliwe było sfotografowanie rejonów biegunowych planety. W październiku 1977 zbliżył się na odległość 22 km do księżyca Marsa – Deimosa. Orbiter po wycieku paliwa został umieszczony na orbicie o parametrach 302 na 33 176 km i wyłączony 25 lipca 1978. Przekazał na Ziemię prawie 16 000 zdjęć wykonanych podczas 706 obiegów Marsa.