MSL có bốn mục tiêu: Xác định sự sống có từng xuất hiện trên Hỏa Tinh, nghiên cứu khí hậu Sao Hỏa, nghiên cứu địa chất Sao Hỏa, và chuẩn bị cho các chuyến thám hiểm có con người trong tương lai. Để thực hiện bốn mục tiêu khoa học này, Mars Science Laboratory có tám nhiệm vụ khoa học cụ thể:[8][9]

1. Xác định bản chất và tàng trữ của các hợp chất cacbon hữu cơ.
2. Phát hiện tàng trữ các khối xây hóa học của sự sống mà chúng ta đã biết: cacbon, hiđrô, nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh.
3. Xác định các đặc điểm có thể biểu hiện của quá trình trao đổi chất hay các dấu hiệu sinh học.
4. Khảo sát các thành phần hóa học, đồng vị, và khoáng chất của đất trên bề mặt và gần bề mặt Sao Hỏa.
5. Giải thích quá trình đã tạo ra và làm biến đổi đất và đá.
6. Đánh giá quá trình tiến hóa khí quyển Sao Hỏa trong thời gian lớn (như 4 tỷ năm chẳng hạn).
7. Xác định hiện trạng, phân bố, và vòng tuần hoàn của nước và cacbon điôxít.
8. Phân loại dải phổ của các bức xạ trên bề mặt: bao gồm tia vũ trụ, chùm proton từ Mặt Trời và các neutron thứ cấp.