Anfang 1964 plante die NASA den ersten Testflug ihrer Saturn I in der Block-​2  Konfiguration. Diese verfügte über eine voll funktionsfähige S-​IV Zweitstufe und konnte somit bereits eine Erdumlaufbahn erreichen. Außerdem war das Steuerungssystem optimiert worden, die Erststufe hatte Stabilisierungsflächen erhalten und die Instrument Unit oberhalb der Zweitstufe feierte ihre Premiere. Da keine eigentliche Nutzlast für diesen Test vorgesehen war, wurden nur 5,26 t Sandballast befördert und ein Jupiter-​C Nasenkonus aufgesetzt. Den Status eines Testfluges unterstrichen zahlreiche installierte Sensoren und acht Filmkameras, die den Aufstieg während des Arbeitens der Erststufe dokumentierten. Die Kameras konnten abgeworfen und per Fallschirm geborgen werden. Eine weitere Kamera übermittelte per Funk Bilder von der zur Erde zurückstürzenden ausgebrannten Stufe. Ende Januar, am 27.01.1964, mußte der Countdown für die Mission SA-​5  wegen eines Defekts an der Flüssigsauerstoff Zuführung zur Erststufe unterbrochen werden, als diese bereits zu 93% betankt war. Ein neuer Starttermin konnte für den 29.01.1964 angesetzt werden. Nach einigen Problemen mit dem Selbstzerstörungsmechanismus der Rakete, die den Start um 73 min verzögerten, hob die Rakete schließlich um 16:25 UTC von LC-​37 B auf Cape Canaveral ab. Erstmals arbeitete dabei die Erststufe mit voller Leistung und bewies dabei erneut ihre Einsatzfähigkeit. Ebensowenig traten Probleme mit den sechs kryogenen Hochleistungstriebwerken der Zweitstufe auf. Das war insofern bemerkenswert, als daß das RL-​10  Triebwerk zu diesem Zeitpunkt eigentlich bereits gründlich im Rahmen des Atlas-​Centaur Programms hätte getestet sein sollen. Tatsächlich lag nach vielen Rückschlägen deren erster erfolgreicher Start aber erst zwei Monate zurück. Und nun gleich die Bewährungsprobe mit gleich sechs parallel arbeitenden Triebwerken! Die insgesamt 1.183 Sensoren an der Rakete zeigten keinerlei bedeutsame Abweichungen von den projektierten Werten. Das galt auch für die Aufnahmen der sieben Kameras, deren Bergung aus dem Atlantik 800 km von Cape Canaveral entfernt gelang (die achte Kamera ging verloren). Für einige Wochen konnten noch die Telemetriesignale der S-​IV Stufe, dem bis dahin schwersten in den Erdorbit gelangten menschgemachten Objekt, empfangen werden. Nach diesem erfolgreichen Flug war die NASA optimistisch für das kommende Apollo Programm. Und auch der neue US Präsident Lyndon B. Johnson wertete das Unternehmen als einen „…gigantischen Schritt vorwärts!“, Worte, die im Apollo Programm einmal eine besondere Bedeutung erhalten sollten.