לכתחילה בנו את מארינר 5 בתור גיבוי למארינר 4, אך לאחר ההצלחה של מארינר 4 החליטו שמשימתה של מארינר 5 תהייה לנוגה ולא למאדים. בעקבות שינוי מטרת המשימה החליטו להסיר את המצלמה ולהפוך ולקצץ את הלוחות הסולאריים על מנת לחזק את כושר בידודו של מגן החום.
מארינר 5 שוגרה ב-14 ביוני 1967 מ-LC-12 בנמל החלל קייפ קנוורל, וביצעה את היעף על פני נוגה ממרחק של 4,094 ק"מ ב-19 באוקטובר באותה השנה. בעזרת מכשירים רגישים יותר מאלו של מארינר 2 הצליחה מארינר 5 לשפוך אור על טבעו והרכבו של הכוכב הרותח והמעונן ועל התנאים בתווך הבין-כוכבי.
הנתונים שהגיעו מהמדידות שביצעה מארינר 5 על האטמוספירה של נוגה עזרו להבין את הסיבות לחום הרב וללחץ הגבוה שנמצאו על פני נוגה באמצעות הגשושית הרוסית, ונרה 4, שנחתה על נוגה זמן קצר לפני משימת מארינר 5. לאחר משימות אלו, הובן שפני השטח של נוגה רותחים ושהאטמוספירה שלה צפופה אפילו יותר ממה ששיערו.
פעילותה של מארינר 5 הסתיימה בנובמבר 1967 והיא נמצאת כרגע במסלול הליוצנטרי.
