Nach den weitgehend positiven Erfahrungen beim Betrieb von Relay I startete die NASA am 21.01.1964 mit einer Delta-​B das zweite Exemplar dieses Typs. Relay II (A-​16 , Relay-​B) sollte eigentlich direkt die Nachfolge seines Vorgängers antreten, was ein kleines technisches Problem mit diesem aber verhinderte. Der Zeitschaltmechanismus an Bord von Relay I versagte nämlich, als er den Satelliten nach einem Jahr abschalten sollte. Und so kam es zu einigen Interferenzen zwischen den Satelliten. Dennoch arbeitete gerade Relay II sehr erfolgreich. Verbesserungen am Kommando-​Empfangssystem von Relay II reduzierten die Zahl fehlerhafter und verstümmelter Kommandosignale ganz erheblich. Die Solarzellen waren leistungsfähiger und vor allem resistenter gegen die kosmische Strahlung. Das traf auch auf andere Teile der Bordelektronik zu. Die Kapazität der beiden redundanten Transponder von Relay II betrug 300 Simplex-​Telefonie– oder 1 TV-​Kanal und außerdem 12 Duplex-​Telefonie-​Kanäle. 1964 wurden die Relay Satelliten populär, als sie TV-​Signale von den Olympischen Sommerspielen in Tokio in die USA und nach Europa übertrugen. Relay II stellte seinen Betrieb nach 20 Monaten ein.