Les objectifs scientifiques d'ExoMars, par ordre de priorité, sont :

Rechercher des signes de vie passée et présente sur Mars ;
Caractériser l'environnement géochimique en fonction de la profondeur et détecter l'existance éventuelle d'eau dans des poches souterraines ;
Etudier la surface et l'environnement pour recenser les dangers potentiels pour des missions habitées futures ;
Etudier la structure des couches profondes du sol afin de mieux comprendre l'évolution et l'habitabilité de la planète Mars.

En complément de ces objectifs scientifiques, cette mission doit démontrer la capacité de l'Europe à faire atterrir une sonde sur Mars, confirmer la faisabilité de technologies d'opérations robotiques in situ, contribuant ainsi à consolider l'ambition européenne de jouer un rôle primordial, dans les futures missions internationales d'exploration.

Les principaux éléments de la mission ExoMars sont :

Le Module de Descente de 1200 kg effectuera les opérations d'entrée, de descente et d'atterrissage (EDL) afin de déposer en douceur à la surface un véhicule de 250 kg et une station fixe ;
Le véhicule de surface qui sera capable de se déplacer sur plusieurs kilomètres ;
Ce véhicule sera équipé d'un système de forage pour acquérir des échantillons jusqu'à 2 mètres de profondeur. Le système de préparation automatique des échantillons distribuera ces derniers aux instruments d'analyse.

La station fixe ainsi que le véhicule seront équipés d'instruments apportés par des consortia scientifiques européens et internationaux. Le véhicule portera la charge utile PASTEUR d'une masse de 16,5 kg comprenant 12 instruments. Les contributions françaises à cette charge utile sont particulièrement importantes pour six de ces instruments : MicrOmega, WISDOM, CLUPI, MIMOS II; MOMA et Raman-LIBS.

La station fixe portera un charge utile HUMBOLDT d'une masse de 8 kg comprenant 11 instruments. Les contributions françaises à cette charge utile sont particulièrement importantes pour six instruments : SEIS, EISS, AEP, ARES, HP³ et MSMO.

Chaque élément comporte des fonctions qui démontreront les capacités technologiques de l'Europe et soutiendront les objectifs à long terme du programme Aurora. Le CNES assure pour l'ESA des taches de soutien au développement technique de la mission dans des domaines tels que la navigation du véhicule, les études système et l'intégration d'éléments thermiques radio-isotopiques. Il assure aussi, vis-à-vis de l'ESA et des laboratoires nationaux impliqués, la maîtrise d'ouvrage de la contribution instrumentale française à ExoMars.