Станция «Венера-3» была запущена 16 ноября 1965 года в 7 часов 19 минутмосковского времени с космодромаБайконур. Станция «Венера-3» состояла из орбитального отсека и спускаемого аппарата. Спускаемый аппарат представлял собойсферу диаметром 0,9 метра. В спускаемом аппарате был помещён металлический глобус Земли, внутри которого находился вымпел с изображением герба Советского Союза. В спускаемом аппарате были также установлены научные приборы.

26 декабря 1965 года была проведена коррекция траектории полёта станции «Венера-3». В это время станция находилась на расстоянии около 13 миллионов километров от Земли. 1 марта1966 года станция достигла планеты Венера и врезалась в её поверхность в районе от — 20° до + 20° по широте и от 60° до 80° восточной долготы. Станция «Венера-3» стала первым космическим аппаратом, который достиг поверхности другой планеты. За время полета со станцией «Венера-3» было проведено 63 сеанса связи (26 с «Венерой-2»). Однако, система управления станции вышла из строя ещё до подлёта к Венере. Станция не передала никаких данных о Венере. За четверо суток до старта «Венеры-3», 12 ноября 1965 года, была запущена станция «Венера-2», которая имела такую же конструкцию, как и «Венера-3». Станция «Венера-2» пролетела вблизи планеты Венера (на расстоянии 24 000 км) 27 февраля 1966 года, на двое суток раньше, чем станция «Венера-3».