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

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

Pour remplir cette mission, l'atterisseur ainsi que le rover seront équipés de nombreux instruments scientifiques.

Le rover PASTEUR emportera une charge utile scientifique 16,5 kg comprenant 12 instruments, dédiés à l'exobiologie et la géologie, pour rechercher des traces de vie passé ou présente, collecter des échantillons des roches de surface ou de la sub-surface, jusqu'à 2 mètres de profondeur.

L'atterrisseur HUMBOLDT portera un charge utile scientifique de 8 kg comprenant 11 instruments pour étudier l'environnement et mesurer les paramètres géophysiques de la planète importants pour comprendre l'évolution de Mars et son habitabilité.