Главное отличие от предыдущих полетов Сатурн-Аполлон заключалось в том, что впервые РН Сатурн-1 стартовала с двумя штатными ступенями — первой (S-I) и второй (S-IV). Вторая ступень имела шесть двигателей RL-10, работающих на жидком водороде. Эти двигатели должны были быть отлажены несколькими годами ранее на разгонном блоке Центавр, но первый запуск РН Атлас с РБ Центавр был произведен только за два месяца до полета SA-5. Вторая ступень была доставлена на Мыс Канаверал модифицированным самолётом Боинг-377, прозванным «Беременная Гуппи».
Другое основное конструктивное изменение заключалось в расширении топливного бака первой ступени. Впервые ракета получит свои запланированные 340 000 кг топлива, а восемь модернизированных двигателей разовьют тягу 836 кН. Первая ступень также впервые оснащалась восемью стабилизаторами для увеличения устойчивости в полете. Но, как и в более ранних стартах, ракета могла доставить на орбиту или спутник типа «Jupiter-C nosecone», или картонный макет космического корабля Аполлон.
Ещё одно изменение — приборный отсек с компьютером системы управления ракетой был смонтирован выше второй ступени. Это решение будет использовано на ракете Сатурн-5, которая доставит астронавтов на Луну. Аппаратура управляла полётом ракеты в атмосфере, автоматически компенсируя возмущения от ветра или уменьшения тяги двигателей.
Впервые в программе Аполлон, этот полет планировался как орбитальный, благодаря модернизации первой ступени и штатной второй ступени. Это была бы эллиптическая орбита и вход в атмосферу произошёл бы через несколько дней.
Президент Джон Кеннеди сказал именно об этом запуске в своей речи в Ручьях в Сан-Антонио, Техас, 21 ноября1963 года, за день до его убийства: «В то время как я расцениваю наше освоение космического пространства как всеобъемлющее — я признаю, что все ещё есть области, где мы находимся позади, но, по крайней мере, в размере ракеты-носителя — в этом году, я надеюсь, в декабре, Соединенные Штаты будут впереди».
Первая попытка запуска была назначена на 27 января 1964 года. При подготовке проблем не было вплоть до момента, когда первая ступень была заправлена жидким кислородом на 93 % и была переключена с системы быстрой заправки на систему компенсации утечек, которая не сработала из-за отказавшего клапана. Исправить его на месте было невозможно, и запуск отложили на 2 дня.
Вторая попытка запуска прошла без проблем, и ракета ушла в пасмурное небо 29 января 1964 года, в 11:25 по Восточному времени. Аппаратура ракеты передала на землю 1 183 измерения, также за полетом следили шесть телескопов. Первые 1000 метров траектории были сняты 13 камерами, которые отслеживали любое отклонение ракеты от курса.
Разделение первой и второй ступеней было снято восемью камерами, автоматически отделившимися от 1-й ступени и впоследствии подобранными в Атлантическом океане в 800 км от точки старта. Процесс разделения ступеней прошёл штатно. Твердотопливные двигатели затормозили первую ступень, а на S-IV такие же двигатели сработали на ускорение, вызвавшее прилив топлива к кормовой части ступени, необходимый для нормального запуска основных двигателей.
После 8-минутной работы двигателей второй ступени, она вышла на орбиту с перигеем 262 км и апогеем 785 км. 16 965 кг — это был рекордный вес на орбите. Выход на орбиту не был главной, хотя и желанной, целью полёта, но он показал американской общественности, что Соединенные Штаты догнали СССР в космосе.
