"מרס גלובל סורוויור" וגם "אודיסיאה למאדים" סובבות את כוכב הלכת במסלולים החולפים מעל שני הקטבים. מסלולן נותר קבוע בשעה שמאדים סובב מתחתן, ומאפשר למכשירים שהן נושאות להתבונן יומם ולילה ברצועות פני שטח המכסות את כל כוכב הלכת. הכיסוי המתמשך הזה מאפשר לעקוב אחר שינויים בפני השטח, באטמוספרה, בכוח הכבידה ובשדה המגנטי.
"גלובל סורוויור" נושאת חמישה מכשירים עיקריים: מד-טווח לייזר שמודד את הצורה הכללית ואת הטופוגרפיה של מאדים. רמת דיוק המדידה של קווי הגובה היא חמישה מטרים בערך. משמעות הדבר היא שמאדים ממופה היום טוב יותר מרוב כדור הארץ. המצלמה מצלמת תמונות באדום ובכחול ברזולוציה בינונית של כל פני השטח. בנוסף, היא מצלמת תמונות ברזולוציה גבוהה - 1.4 מטר לפיקסל, איכות דומה לזו של לווייני ריגול בשנות השישים - של אזורים מוגבלים. אינטרפרומטר-מייקלסון מודד את ספקטרום הפליטה בתת-אדום ברזולוציה ספקטרלית גבוהה, אך ברזולוציה מרחבית נמוכה. המדידה מתאימה למיפוי הרכב המינרלים והתכונות התרמיות של פני השטח. מגנטומטר קובע את השדה המגנטי. ולבסוף, כל החללית נחשבת כמכשיר נוסף מפני שהתנועה שלה רגישה לשינויים בכבידה של מאדים. שדה הכבידה מגלה את עובי הקרום ומשתנה יחד עם גודל כיפות הקרח בקטבים.
"אודיסיאה למאדים" משלימה את ה"גלובל סורוויור". המצלמה שלה אינה מסוגלת לצלם ברזולוציה גבוהה, אבל מצלמת בחמישה תחומי צבע נבחרים. המצלמה התת-אדומה פועלת ברזולוציה ספקטרלית נמוכה אך ברזולוציה מרחבית גבוהה. מכשיר נוסף מודד שטפים של קרני גמא ונויטרונים, שטפים הרגישים לנוכחות אטומי מימן מעט מתחת לפני השטח. לפיכך, "אודיסיאה" היא החללית הראשונה שמסוגלת להציץ אל מתחת לאדמת מאדים, עד לעומק של מטר אחד.
שתי החלליות מנטרות גם את האטמוספרה. המצלמות סורקות מדי יום את כל כוכב הלכת בדומה ללווייני מזג האוויר הסובבים את כדור הארץ. שתיים-עשרה פעמים ביום מודד ספקטרומטר הפליטה התרמית את הטמפרטורה, את הלחץ, את כיסוי העננים ואת כמות האבק. בנוסף, האטמוספרה מפזרת שידורי רדיו העוברים דרכה, ומערכות לעיבוד אותות מסוגלות לפענח מתוך כך כיצד משתנים הטמפרטורה והלחץ עם הגובה.
