«Венера-3» была запущена 16 ноября 1965 года в 4:19 по московскому времени с Байконура. Станция стартовала на 4 дня позже космического аппарата «Венера-2».
Эти две станции имели идентичную конструкцию и несли на себе аналогичное оборудование, разница заключалась лишь в наличие на борту «Венера-3» спускаемой капсулы. Капсула представляла из себя шар диаметром 90 сантиметров, внутри которого находился 70-сантиметровая модель глобуса Земли с выгравированными материками, а внутрь глобуса поместили медаль с гербом СССР.
Космический аппарат «Венера-2» не смог достигнуть поверхности планеты, пройдя от нее на расстоянии 24 000 километров, но этот «промах» дал необходимые сведения, на основании которых была произведена корректировка траектории «Венера-3», и 1 марта 1966 года весь мир узнал, что межпланетные перелеты уже не фантастика.
За время своей миссии станция «Венера-3» передала на Землю данные об околопланетном и космическом пространстве, потоках заряженных частиц малых энергий, о магнитных полях, потоках солнечной плазмы и о космическом радиоизлучении.
К сожалению, незадолго до сближения с Венерой, система управления вышла из строя, и межпланетная станция не смогла передать данные о самой планете.
Однако, спустя 13 лет «Венера-13» исправила эту неприятную оплошность, совершив мягкую посадку на поверхность планеты и передав на Землю цветное изображение панорамы Венеры, а также проведя химический анализ проб грунта и исследовав облачный слой.