Аппарат стартовал с Земли 20 августа 1977 года,
Миссия «Вояджера-2» первоначально включала изучение только Юпитера и Сатурна, а также их спутников. Траектория полёта при этом предусматривала возможность пролёта мимо Урана и Нептуна, которая была успешно реализована.
25 августа 1981 года состоялось максимальное сближение с Сатурном (101 тыс. км).
Пролетая за Сатурном (относительно Земли), «Вояджер-2» использовал свою радиосвязь для исследования верхних слоев атмосферы Сатурна, собирая данные как о температуре, так и о давлении. В самых высоких слоях атмосферы, где давление было измерено на уровне 70 мбар (1,0 psi) , «Вояджер 2» зафиксировал температуру 82 К (?191,2 °C; ?312,1 °F) . Глубже в атмосфере, где давление было зафиксировано на уровне 1200 мбар (17 psi) , температура поднялась до 143 К (?130 °C; ?202 °F) . Выяснилось также, что северный полюс Сатурна был примерно на 10 °C (18 °F) холоднее при 100 мбар (1,5 psi) , чем средние широты, что может быть связано с сезонными изменениями.
Траектория зонда прошла около спутников Сатурна Тефии и Энцелада, аппарат передал подробные фотографии поверхности спутников. Были также сделаны снимки Титана, но ему «Вояджер-2» уделил меньше внимания, чем «Вояджер-1», так как от близкого пролета Титана было регеноо отказаться в пользу продления траектории до дальних планет-гигантов.
По состоянию на 1 августа 2026 года «Вояджер-2» находился на расстоянии 21,50 млрд км (144 а. е.) от Солнца и удалялся со скоростью 55,0 тыс. км/ч (15,28 км/с). На его борту остались активными только три научных прибора. С Земли его местоположение - южное созвездие Павлин.