2-я ступень состоит из приборного, топливного и хвостового отсеков. Кроме того, по бокам ступени смонтированы  два навесных блока баков основных компонентов, обеспечивающих работу системы малой тяги (СМТ) и второе включение маршевого ЖРД. Короткий приборный отсек имеет клепаную конструкцию, выполнен из алюминиевого сплава. На него опирается рама крепления полезного груза,  на которой размещаются приборы системы управления ракетой. Кроме того, приборный отсек служит для соединения 2-й ступени с головным обтекателем. Топливный отсек (ТО) сварной, из сплава АМГ-6, включает цилиндрическую обечайку и три днища – верхнее, среднее и нижнее. Среднее днище делит ТО на два отсека: окислителя и горючего. Все оболочки ТО – гладкие. Верхнее и среднее днища – сферические, нижнее – составное, образовано усеченным конусом и полусферой, обращенной внутрь бака. Крепление двигателя 2-й ступени безрамное – камера двигателя с помощью четырех кронштейнов на смесительной головке крепится прямо к нижнему шпангоуту конического днища ТО. В хвостовом отсеке 2-й ступени размещены электроприводы рулевых сопел и тормозной РДТТ. На поверхности хвостового отсека находятся нижние узлы крепления подвесных баков СМТ. К торцевому кольцу отсека крепится конический кожух для защиты агрегатов ДУ от газов, истекающих из рулевых сопел. На 2-й ступени размещена двигательная установка (ДУ), разработанная в КБ химического машиностроения под руководством А.М. Исаева. В состав ДУ входят маршевый двигатель и двигатель СМТ. Оба двигателя тесно увязаны конструктивно и функционально.
 Компоненты топлива: окислитель – АК-27И, горючее – НДМГ; масса: стартовая 18,9 т, сухая 1,72 т; длина 4,2 м; наибольший поперечный размер 3,5 м; диаметр: топливного отсека 2,4 м, баков СМТ 0,355…0,4 м; двигательная установка ДУ-49; тяга в вакууме: основной режим 158 кН, промежуточный режим 5,5 кН, режим СМТ 0,1 кН; удельный импульс в вакууме: основной режим 297 с, промежуточный режим 172 с, режим СМТ 173 с; продолжительность работы: основной режим до 430 с, промежуточный режим до 70 с, режим СМТ до 3800 с.