Fobos 2 został wyniesiony 12 lipca 1988 roku. Pomimo problemów technicznych (utrata jednego z dwóch nadajników) sonda po 200 dniach i pokonaniu 470 milionów kilometrów 29 stycznia 1989 roku weszła na orbitę eliptyczną wokół Marsa. Następnie 18 lutego orbita próbnika została zbliżona do kołowej, przechodząc ponad równikiem planety. Orbita była o około 300 km powyżej Phobosa. Z tej wysokości próbnik przekazał na Ziemię zdjęcia satelitów Marsa, w tym z odległości około 400 km zdjęcia satelity na tle Marsa, jak również samego Phobosa z odległości około 320 km. Na zdjęciach wyraźnie widoczne były szczegóły budowy satelity (kratery o średnicy około 75 metrów). Zdjęcia przekazano wielu ośrodkom naukowym dla dokładnych badań. Na orbicie równikowej Phobos 2 przebywał prawie miesiąc. Następnie po obróbce informacji dokonanych w ośrodkach naziemnych przekazano na pokład próbnika sygnał uruchamiający silniki o małym ciągu i w marcu próbnik osiągnął orbitę synchroniczną z orbitą Phobosa. Począwszy od 25 marca, kiedy próbnik znajdował się w odległości 279 i 191 km od satelity, rozpoczął się seans przekazu obrazów. Seans trwał godzinę i 10 minut. Zdjęcia umożliwiły dokładną analizę ewentualnych miejsc lądowania.