Mariner 5 gjennomførte 19. oktober 1967 gjennomførte en passering i en avstand av mindre enn  km over skytoppene. Mariner 5 var opprinnelig bygget som en reservekopi for den Mars-bundne Mariner 4, men da det oppdraget var vellykket ble sonden ombygd og tilpasset for et oppdrag til Venus. En rekke instrumenter, mer sensitive enn de på Mariner 2, returnerte data om atmosfærens sammensetning, trykk og tetthet. Dataene fra Venera 4 og Mariner 5 ble analysert av et felles sovjet-amerikansk forskerteam i en rekke kollokvier over de neste årene som et tidlig eksempel på samarbeid i romforskningen.