Mariner 9 được thiết kế để tiếp tục nghiên cứu khí quyển bắt đầu bởi Mariner 6 và 7, và lập bản đồ trên 70% bề mặt sao Hỏa từ độ cao thấp nhất (1.500 km (930 mi)) và ở độ phân giải cao nhất (từ 1 km/pixel đến 100 mét trên mỗi pixel) của bất kỳ nhiệm vụ sao Hỏa nào cho đến thời điểm đó. Một máy đo bức xạ hồng ngoại đã được đưa vào để phát hiện nguồn nhiệt nhằm tìm kiếm bằng chứng về hoạt động núi lửa. Đó là nghiên cứu những thay đổi thời gian trong bầu khí quyển và bề mặt sao Hỏa. Hai mặt trăng của sao Hỏa cũng được phân tích. Mariner 9 đã hoàn tất mục tiêu của mình và còn làm nhiều hơn thế.