3 listopada 1957 roku o godzinie 7:30 czasu moskiewskiego nastąpił start z kosmodromu Bajkonur. Po osiągnięciu orbity, odmiennie niż w przypadku Sputnika 1, który oddzielił się całkowicie od rakiety nośnej, Sputnik 2 wszedł na orbitę połączony z jej drugim członem. Zestaw ten poruszał się po eliptycznej orbicie na średniej wysokości 850 km i okrążał Ziemię w czasie 104 minut. Obecność drugiego stopnia rakiety sprawiła, że system kontroli temperatury stał się niewydolny i temperatura wewnątrz osiągała 40 °C. Spowodowało to, że Łajka żyła tylko przez kilka godzin, zamiast planowanych 10 dni (po tym czasie automat miał wydać psu zatrutą porcję żywności – nie było technicznych możliwości sprowadzenia jej z powrotem na Ziemię).
Misja Sputnika pozwoliła na uzyskanie pierwszych danych o zachowaniu żywego organizmu w środowisku przestrzeni kosmicznej. Na Ziemię transmitowano tempo oddychania psa, jego ciśnienie tętnicze, elektrokardiogram oraz informacje o ruchach zwierzęcia.