S-II（读作“S-two”）是土星五号的第二级，由北美航空制造。该级由五台J-2液氢液氧发动机驱动，在高层大气中提供给火箭5 MN的推力。
1959年12月，美国宇航部门决定要研发一种大推力液氢燃料火箭发动机。洛克达因获得了发动机制造协议，这就是后来的J-2发动机。同时，S-II的设计也初现雏形，当时的设计是使用四台J-2，长为22.5米，直径6.5米。
1961年，马歇尔航天飞行中心开始招募承包商来制造S-II。在邀请参加招标会的30家航天公司中，只有7家在一个月后递交了意向书，在仔细审查后，又有3家公司被排除。这时，设计部门发现原尺寸太小，未定的尺寸以及未定的上面级都给投标公司带来了不小麻烦。1961年9月11日，制造合同最终给了北美航空，北美航空使用政府建造在加利福尼亚州海豹滩市的工厂进行生产。
装满推进剂，S-II级重约500,000 kg，其中设备部分只占3%的重量。
五台发动机连接在底部的推力受力结构上，中间一台是固定的，周围四台可在液压机控制下自由转动。
与S-IC上两个推进剂箱以空腔隔开的设计不同，S-II的液氧箱顶部和液氢箱的底部由一层隔离层相连。隔离层是两层铝箔以及铝箔之间的苯酚蜂窝状夹层结构组成。隔离层可承受两面70℃ (125℉) 的温差。这种共用隔离层设计为S-II减少了3.6吨的重量。
液氧箱呈椭圆形，直径10米，高6.7米。其侧面由12块三角片焊接而成，两个底面是两个整圆片。每片三角片依据其位置被放置在一个装有211000升水的水箱中进行三次精确水下爆炸成形。
液氢箱由六个气瓶组成，其中五个2.4米高，一个0.69米高。由于液氢的储存温度只有20K，因此隔热措施非常重要。起初的方法存在气穴和压焊问题，后来用手工调整的方法解决了问题。
为了塑造S-II的圆柱体外形，S-II被垂直树立以辅助焊接。
