Am 7. April 2001 wurde die Sonde Mars Odyssey 2001 mit einer Delta II Rakete von Cape Canaveral gestartet. Nach 200 Tagen und mehr als 460 Millionen Kilometern hat die Sonde am 24. Oktober 2001 den Mars erreicht und zum ersten und einzigen Mal ihre Haupttriebwerke gezündet und in eine Umlaufbahn um den Roten Planeten eingeschwenkt.
Die Sonde benötigte für einen Marsumlauf 25 Stunden und die folgenden 76 Tage ist sie dem Mars immer nähergekommen, um durch die Reibung mit der Marsatmosphäre an Geschwindigkeit zu verlieren. Dieses Verfahren nennt man aerobraking.
Ihre Aufgaben waren es nach Wasser zu suchen, eine Karte über die chemischen und mineralischen Ablagerungen zu machen und die Strahlung in der Atmosphäre zu analysieren. Die Dauer der Mission wurde zunächst mit einem Marsjahr (ungefähr zwei Erdenjahren) angegeben und zunächst bis September 2006 und dann noch einmal um 2 Jahre auf August 2008 verlängert.
Nach der Entdeckung von großen unterirdischen Wasservorkommen an den Polen des Mars im Jahr 2002, die im Februar 2004 auch von der europäischen Sonde Mars Express bestätigt wurden, diente die Sonde den beiden Mars Rovern Spirit und Opportunity als Relaisstation mit der Erde.
Diese Mission ist für die NASA besonders wichtig gewesen, da die letzten beiden Marssonden Climate Orbiter und der Mars Polar Lander durch mitunter peinliche Fehler 1999 verloren gingen. Der Name der Sonde leitet sich von Stanley Kubricks Film "2001 - A Space Odyssey" ab und die 729,7 kg schwere Sonde sollte den Neuanfang in der amerikanischen Marsforschung darstellen. Die Sonde Mars Odyssey hat auch teilweise identische Missionsziele wie der gescheiterte "Mars Climate Orbiter". Zum Equipment gehörten deswegen eine Multispektralkamera, ein Strahlungsdetektor und ein Gammastrahlenspektrometer.
Die Gesamtkosten der Mission werden mit $297 Millionen angegeben, wovon $53 Millionen auf den Start entfielen und $79 Millionen für die laufenden Kosten veranschlagt worden sind.