任务包括：①开展环火星轨道探测，获取火星地表图像，寻找地下水和生命可能迹象；②研究火星大气与地表及行星际介质间的相互作用；③通过无线电科学试验对火星内部大气和环境进行研究；④开展火星表面地球化学和外空生物学的研究。

探测器于2003年6月2日由“联盟”号运载火箭在拜科努尔航天中心发射场发射。探测器质量1042千克，由轨道器和质量为60千克的“小猎犬”2号着陆器组成。探测器的主体结构为立方形箱体结构，太阳阵为两个对称的太阳翼，跨度达12米，箱体结构的侧面安装有高增益天线及仪器辐射器等。11平方米的太阳阵在火星轨道可提供650瓦功率，配有67.5安时的锂离子电池。采用1.6米直径的高增益天线进行与地球之间的S波段和L波段通信。采用400牛顿轨道控制发动机和8个10牛顿姿态控制推力器。探测器携带地下雷达探测器、高分辨彩色摄像机、OMEGA红外敏感器、行星傅里叶光谱仪、粒子环境测量仪等载荷设备。

2003年12月19日，探测器释放出“小猎犬”2号着陆器。着陆器在着陆过程中与地面失去联系，坠毁在火星表面。2003年12月25日，探测器进入火星轨道。“火星快车”号探测器发回了很多有价值的火星照片。在美国“凤凰”号探测器和“火星科学实验室”号探测器的“好奇”号火星车着陆期间，“火星快车”号探测器参与了信息支持。