Les principaux objectifs scientifiques de la mission pour l'orbiteur sont :

la cartographie globale de la surface en couleur et en stéréoscopie à haute résolution (10 m/pixel) et l'imagerie de zones sélectionnées avec une résolution de 2 m/pixel ;
la cartographie minéralogique globale et à haute résolution (100 m/pixel) de la surface ;
le sondage par un radar du sous-sol martien, pour y déceler en particulier des poches d'eau ou de glace ;
la détermination de la composition de l'atmosphère, l'étude de sa circulation et de son interaction avec la surface, le vent solaire et le milieu interplanétaire ;
une expérience de radioscience pour sonder l'atmosphère neutre et ionisée afin de déterminer les propriétés diélectriques de la surface et le champ de gravité de la planète.

Le petit atterrisseur Beagle 2 (69 kg dont 33 kg déposés à la surface de Mars), sous responsabilité britannique, avait quant à lui pour principal objectif de découvrir des traces de vie passées ou présentes. Aucun contact n'a plus pu être établi avec Beagle après son largage.

Trace de Mars Express lors de son survol du pôle sud en janvier 2004