Von Kapustin Jar startete am 16.01.1970 mit einer Kosmos-​2 11K63  Rakete der experimentelle meteorologische Satellit Kosmos 320. Er hatte nicht viel mit dem Typ Meteor zu tun, dem Standardmodell sowjetischer meteorologischer Satelliten. Dessen Entwicklung verlief jedoch schleppend und immer wieder mußten Kameras und Sensoren für Meteor neuen Tests unterzogen werden. Eine solche Mission hatte auch Kosmos 320. Mit dem Satelliten wurde u.a. eine verbesserte Fernseh-​Kamera für Meteor erprobt. Die Batteriekapazität des Satellitentyps DS-​MO begrenzte die Mission auf zwei Wochen und auch die Umlaufbahn zwischen rund 250 und 330 km Bahnhöhe bei 48,4° Bahnneigung ließ kaum einen Vergleich zu den realen Einsatzbedingungen der Kamera zu. Denn Meteor flog in 600 — 900 km Höhe auf polaren Umlaufbahnen. Dennoch konnten wertvolle Erfahrungen zur grundsätzlichen Eignung einer solchen Kamera als meteorologischem Instrument gewonnen werden. Und auch die weiteren Meßgeräte lieferten Grundlageninformationen zur von der Erde reflektierte solare Strahlung im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich.
Wie schon bei seinem Vorgänger Kosmos 149 testete man zudem mit Kosmos 320 die aerodynamische Stabilisierung des Satelliten in der Bahn. Ein Versuch, der später als weitgehend erfolgreich bewertet wurde und die Grundlage für einige wissenschaftliche Publikationen bildete. Breitere Verwendung fand das System aber nicht.