奥德赛火星探测器于2001年4月7日发射升空，是美国宇航局继火星气候卫星和火星极地着陆器之后的第三个太空探测器，并于当年10月进入轨道，自2002年2月以来一直在火星上工作，使其成为迄今为止服役时间最长的火星探测器。2008年，华盛顿大学校友郑成功运营了美国奥德赛火星探测器，这是第一个用中文拍摄的高清火星。
奥德赛是继火星气候卫星和火星极地着陆器之后的第三个太空探测器，两者都未能按计划完成任务。
"奥德赛"以美国未来学家和科幻小说大师克拉克的名字命名，只有一辆汽车那么大。克拉克成功地预测了许多人类的科技成就，例如使用卫星进行通信。
尽管之前的火星探测为科学家提供了丰富的信息，但科学家们尚未完全弄清楚火星的构成。因此，奥德赛探测器携带了三种科学仪器，包括热成像系统，伽马射线光谱仪和火星辐射环境测试仪，科学家将通过这些仪器了解火星表面的组成及其辐射环境。
热三重成像系统将以高分辨率绘制火星的地理图，帮助科学家更好地了解火星矿物学与火星地形之间的联系。
伽马射线光谱仪就像科学家探索火星表面的铁锹一样，让科学家有机会看到火星的子幸存者。光谱仪将确定包括氢在内的各种元素的含量。由于氢气最有可能存在于冷冻水中，因此预计光谱仪将检测到火星表面冻结水的痕迹。这是科学家首次为火星探测器配备仪器来检测地表水和矿物质成分。
俄罗斯开发的中子探测器"火星辐射环境实验者"（Mars Radiation Environment Experimenter）将首次测量火星表面的辐射水平，提供有关宇航员登陆火星时可能面临的可能危害的信息。测试仪将分别在火星轨道和火星表面收集数据。