Mit Vela 2 A und Vela 2 B wurde der Ausbau des kosmischen Systems zur Überwachung des Testverbots von Atomwaffen in der Atmosphäre oder im erdnahen Kosmos fortgeführt. Nach dem Start mit einer Atlas-LV3 Agena-D am 17.07.1964 von Cape Canaveral befand sich Vela 2 A nach zwei Zündungen des Agena-Triebwerks zunächst auf einer sehr exzentrischen Umlaufbahn mit einem Apogäum von rund 105.000 km, die später durch Zündung des Bordtriebwerks annähernd zirkularisiert wurde. Kurz darauf geschah das auf der gegenüberliegenden Seite der Erde auch mit Vela 2 B. Um ein Haar wäre die Mission jedoch gescheitert, als es im Agena-Triebwerk nach der Abtrennung der Nutzlasten zu einer Nachverbrennung kam, woraufhin die Stufe mit einem der Satelliten kollidierte. Glücklicherweise blieben die Schäden gering und hatten keinen Einfluß auf den weiteren Verlauf der Mission. Die Sensoren der auch Vela Hotel genannten Satelliten sollten in der Lage sein, eine Atomexplosion noch in über 160 Mio. km Entfernung aufzuspüren. Der Energieversorgung dienten 14.000 Solarzellen auf der Oberfläche.
Außer diesen beiden Hauptnutzlasten gelangte auch der kleine Forschungssatellit ERS 13 bzw. TRS 13 auf eine Umlaufbahn. Der Environmental Research Subsatellite verfügte über einen Satz omnidirektionaler Strahlungsdetektoren zur Messung der Niveaus von Elektronen und Protonen in der Magnetosphäre. Alle drei Satelliten waren bei TRW gefertigt worden.
