«Зонд-5» представлял собой беспилотный вариант корабля 7К-Л1, который создавался для полёта вокруг Луны экипажа из двух человек. Корабль вывела к Луне ракета-носитель «Протон-К» с разгонным блоком «Д».
После выхода на траекторию к Луне аппарат 18 сентября прошёл на расстоянии около 1950 километров от её поверхности и продолжил обратный путь. Во время полёта были проведены коррекции траектории и испытаны системы корабля, в том числе теплозащита, которой предстояло выдержать возвращение со скоростью, близкой ко второй космической.
На борту находились две среднеазиатские черепахи, а также мухи-дрозофилы, мучные черви, растения, семена, бактерии и другие биологические образцы. Черепахи стали первыми живыми существами, совершившими облёт Луны и вернувшимися на Землю. За время полёта они потеряли около 10% массы, но после возвращения оставались активными. NASA отмечает, что биологический груз благополучно пережил миссию.
21 сентября «Зонд-5» сфотографировал Землю с расстояния примерно 90 тысяч километров. Это был один из наиболее впечатляющих результатов полёта: на снимке была запечатлена значительная часть земного диска.
Возвращение оказалось сложнее, чем планировалось. Из-за неисправностей системы навигации аппарат не смог выполнить запланированную посадку на территории СССР. Спускаемый аппарат вошёл в атмосферу по баллистической траектории, испытывая перегрузки примерно 15–20 g, после чего раскрыл парашюты и приводнился 21 сентября в Индийском океане. Советские спасательные суда обнаружили и подняли его на борт.
Таким образом, «Зонд-5» выполнил полный маршрут Земля — Луна — Земля и доказал возможность безопасного возвращения космического аппарата после полёта к Луне. Однако это не была мягкая посадка: аппарат именно приводнился после баллистического спуска.
Успех миссии имел значение и для космической гонки. В США советский полёт вызвал опасения, что СССР может вскоре отправить космонавтов вокруг Луны. По данным NASA, успех «Зонда-5» вместе с разведывательной информацией о советской лунной программе мог повлиять на решение направить «Аполлон-8» к Луне уже в декабре 1968 года. Экипаж «Аполлона-8» стал первым в истории человечеством, совершившим облёт Луны.
Следующий аппарат, «Зонд-6», также облетел Луну, но при возвращении потерпел аварию. Несмотря на последующие успехи программы, советскому Союзу не удалось осуществить пилотируемый облёт Луны.
«Зонд-5» остался одним из наиболее значительных достижений советской лунной программы — первым успешным возвращением с лунной трассы и первым путешествием живых существ вокруг Луны с последующим возвращением на Землю.

Видео: Киножурнал Новости дня. Москва. «Зонд-5» - беспилотный космический корабль. Облёт Луны. Академик Седов Л.И.. 1968 год.