Die Mission wird in den kommenden sieben Monaten eine Distanz von 500 Millionen km durch den interplanetaren Raum zurücklegen, um den Planeten Mars im März 2006 zu erreichen. Danach wird der sechs Meter lange und zweieinhalb Tonnen schwere Reconnaissance Orbiter seine vorerst stark elliptische Umlaufbahn durch eine Serie von 514 Aerobraking-Manövern in eine annähernd kreisförmige engere Bahn abbremsen. Dabei tritt die Sonde immer wieder in höhere dünne Schichten der Marsatmosphäre ein und verliert durch die Reibung der Solarpaneele mit den Molekülen nach und nach Bewegungsenergie. Die Sonde wird ihre finale Umlaufbahn ein halbes Jahr später, also im September 2006 erreicht haben. Die primäre 25 Monate andauernde wissenschaftliche Phase der Mission beginnt im November 2006 und endet im Dezember 2008.

Der Mars Reconnaissance Orbiter trägt sechs verschiedene wissenschaftliche Geräte mit an Bord, die die Atmosphäre, die Oberfläche und tiefer gelegene Schichten des Marsglobus erforschen sollen. Die Sonde ist mit drei verschiedenen Kameras ausgestattet. HiRISE ist die größte und leistungsfähigste Kamera, die je zu einem anderen Planeten gesandt wurde. Diese soll es ermöglichen, Objekte auf der Mars-Oberfläche zu erkennen, die die Größe eines Couch-Tisches besitzen.

Somit werden die Wissenschaftler in der Lage sein, selbst die beiden auf der Oberfläche befindlichen Exploration Rover Spirit und Opportunity erkennen zu können. Möglicherweise wird auch die verlorene Sonde Mars Polar Lander und die europäische Landkapsel Beagle 2 fotografiert werden können, deren Verbleib bis heute nicht zweifelsfrei geklärt werden konnte. Beagle 2 sollte nach der Ankunft der Sonde Mars Express auf der Marsoberfläche aufsetzen und Analysen durchführen. Nach dem Eintritt in die Atmosphäre ging der Kontakt zu dem kleinen Lander jedoch verloren.

Die anderen beiden Kameras werden die Wissenschaftler in die Lage versetzen, das Gebiet der hoch auflösenden Überwachung der Marsoberfläche um den Faktor 10 zu erweitern, sowie globale Karten des marsianischen Wettersystems erstellen zu können.

Die verbleibenden drei Instrumente sind ein Spektrometer zur Identifizierung signifikanter Minerale, ein Radar der italienischen Raumfahrtbehörde zur Analyse tiefer Gesteinsschichten und ein Radiometer zur Beobachtung atmosphärischer Phänomene, wie Staub, Wasserdampf und Temperaturunterschiede.

Bedeutende Entdeckungen der Raumsonden Mars Global Surveyor, 2001 Mars Odyssey, Mars Express und der beiden Mars Exploration Rover, die den roten Planeten allesamt seit einigen Jahren untersuchen, lassen unseren Nachbarplaneten in einem neuen Licht erstrahlen. Aus der Beobachtung von ehemaligen Wasserläufen, Permafrost-ähnlichen Landschaften und Wassereis-Gletschern in ganzjährig schattigen Gletschern gewann die Wissenschaft gravierende neue Erkenntnisse, die darauf deuten, dass der rote Planet einst eine turbulente feuchte Ära durchlief, die der Entstehung von niederen Lebensformen dienlich gewesen sein könnte.

Die Wissenschaftler erwarten durch die vom Mars Reconnaissance Orbiter gelieferten Daten erheblich detailliertere Erkenntnisse, als alle anderen Mission zuvor zu liefern im Stande waren. Die Daten sollen Aufschlüsse über die Verteilung einstiger Wasservorkommen auf der Oberfläche des Mars ermöglichen. Der Orbiter soll Landegebiete für zukünftige Mission erkundschaften, an denen mit hoher Wahrscheinlichkeit Überreste oder noch immer existentes Leben aufgefunden werden kann. Zudem wird der Mars Reconnaissance Orbiter als Kommunikationsrelay zwischen der Erde und anderen auf dem Mars befindlichen Sonden agieren. Der Orbiter kann ungefähr 10mal so viele Daten pro Zeiteinheit übertragen, wie die bisher zu diesem Zweck benutzten Marsorbiter Mars Global Surveyor und 2001 Mars Odyssey.

Im wiederkehrenden Abstand von ungefähr 26 Monaten erreichen Erde und Mars günstige Positionen zu einander, die es ermöglichen, Raumsonden auf möglichst kurzen Wegen Treibstoff sparend durch den Raum zu befördern. Die NASA plant bei der nächsten günstigen Gelegenheit im Jahr 2007 die Sonde Phoenix im Hohen Norden auf der Marsoberfläche aufsetzen zu lassen. Zudem entwickelt die NASA derzeit einen fortschrittlichen Rover, das so genannte Mars Science Laboratory, das im Jahr 2009 zum Roten Planeten abheben soll.

Derzeit befinden sich noch weitere aktive Sonden auf dem Mars und in Umlaufbahnen um ihn. Dies sind die beiden Mars Exploration Rover Spirit und Opportunity, die US-amerikanischen Orbiter 2001 Mars Odyssey und Mars Global Surveyor sowie die europäische Sonde Mars Express.