Mit Pioneer V (P-​2) gelangte am 11.03.1960 erstmals planmäßig eine Raumsonde auf eine heliozentrische Bahn. Nach der erfolgreichen Erprobung des „Paddlewheel“ Designs mit dem Satelliten Explorer VI kam das Modell nun auch im Pioneer-​Programm zum Einsatz. Die Solarzellenflächen wurden modifiziert und Teile der Ausrüstung speziell für eine Tiefraummission angepaßt. So baute man den mit 150 W bis dahin stärksten auf einer Raumsonde verwendeten Sender ein. Die Größe und Anzahl der verbauten Solarzellen konnte hingegen gegenüber Explorer VI verringert werden. Obwohl die Brennschlußgeschwindigkeit der Thor-​DM18 Able-​4  nach dem Start, der sich wegen Problemen mit der Betankung der Rakete zuletzt nochmals verzögert hatte, nur 11.125 ms^–1  statt geplanter 11.216 ms^–1  betragen hatte, wurde die geplante Bahn mit ausreichender Genauigkeit erreicht. Am 26.06.1960 konnten aus einer Entfernung von 36,2 Mio km die letzten Funksignale empfangen werden. Das war für die damalige Zeit absoluter Rekord. Pioneer V war der erste amerikanische Satellit, der über ein operatives digitales Telemetriesystem namens Telebit verfügte (zuvor mit Explorer VI erprobt). Zu den Ergebnissen, die die Mission von Pioneer V lieferte, gehörten die Entdeckung eines interplanetaren Magnetfeldes und die erstmalige Beobachtung von Plasma-​Wolken, die von der Sonne während Sonnenstürmen ausgestoßen werden. Bei der wissenschaftlichen Ausrüstung hatte man auf eine Ionisationskammer, einen Geiger-​Müller-​Zähler, einen Mikrometeoriten-​Zähler und ein Magnetometer gesetzt.
Der Start von Pioneer V ins Umfeld der Venus war ursprünglich bereits für den Dezember 1959 geplant gewesen. 36 Stunden vor dem Start wurden damals aber Probleme mit der Bordelektronik der Nutzlast festgestellt (wie sich später herausstellte, ausgelöst von einem fehlerhaften Spannungskonverter). Der Start mußte damals abgesetzt werden, die Nutzlast wurde erneut einer rigorosen Flugqualifikation unterzogen.