Космическая станция представляла собой герметичный контейнер длиной 2,035 м и диаметром 1,05 м, давление в котором составляло 1,2 бар. Она оснащалась сетчатой остронаправленной параболической антенной диаметром 2,33 м с высоким коэффициентом усиления, солнечными батареями площадью 1 м2, на каждой панели которых располагалось по одной антенне со средним коэффициентом усиления, всенаправленной антенной стреловидной формы, а также двигательной установкой, расположенной в верхней части контейнера и закрытой куполообразным кожухом. Программно-временное устройство для обеспечения последовательности прохождения команд, системы связи, система управления положением в пространстве, навигационная система и двигательная установка были такими же, как и у космического аппарата 1М. Система управления положением в пространстве могла работать в трех режимах: маршевый трехосный режим непрерывной ориентации на Солнце, аварийный режим ориентации вращением вокруг солнечной оси на случай ошибок в первом режиме и трехосный режим ориентации на Землю для связи с помощью параболической антенны. Система терморегулирования поддерживала необходимый тепловой режим при помощи пассивных решетчатых радиаторов. Ключевое отличие от космической станции, предназначенной для полета на Марс, состояло в добавлении датчика Земли вместо радиомаяка для более точной ориентации параболической антенны с высоким коэффициентом усиления в течение сеанса телеметрии.
Полезная нагрузка, предназначенная для проведения научных исследований космического пространства на трассе перелета Земля-Венера и закрепленная на корпусе станции состояла из следующих приборов:
1. Магнитометр на выносной штанге для обнаружения магнитного поля Венеры.
2. Детекторы заряженных частиц типа ионных ловушек для исследования межпланетной среды.
3. Датчик микрометеоритов для исследования степени их опасности для межпланетных станций.
4. Детектор космических лучей для измерения уровня радиационной опасности в космосе.
5. Инфракрасный радиометр для измерения температуры Венеры.
Эти приборы были аналогичны размещенным на станции «Марс» 1М. Сообщалось, что использовалась также пара параллельных магнитометров для измерения межпланетного магнитного поля.
По самой Венере никаких результатов получено не было. Со станции «Венера-1» были переданы данные измерений параметров солнечного ветра и космических лучей в окрестностях Земли, а также на расстоянии 1,9 миллиона километров от Земли. После открытия солнечного ветра станцией «Луна-1», станция «Венера-1» подтвердила наличие плазмы солнечного ветра в межпланетном космическом пространстве. Последний сеанс связи с «Венерой-1» состоялся 19 февраля 1961 года. Через 7 суток, когда станция находилась на расстоянии около 2 миллионов километров от Земли, контакт со станцией «Венера-1» был потерян. 19 и 20 мая 1961 года АМС «Венера-1» прошла на расстоянии приблизительно 100 000 км от планеты Венера и перешла на гелиоцентрическую орбиту