Аппарат был запущен 7 апреля 2001 года ракета-носителем «Дельта-2».  К Красной планете он прибыл 24 октября  2001 года и с тех пор находится на ее орбите. За время исследования Марса аппарат отправил на Землю более 130 тысяч снимков планеты. Благодаря установленным на Mars Odyssey приборам  ученые смогли составить детальные карты климатических изменений на Марсе, залежей минералов, химических ресурсов, а также запасов воды в ледниках. Аппарату также удалось получить данные,  свидетельствующие о том, что Марс обладает крупными запасами воды. По всей видимости, в некоторых областях на глубине порядка 45 см залегает порода, которая  на 70% состоит из льда.

  Помимо собственных исследований, аппарат оказывает важную поддержку другим текущим миссиям по исследованию Марса,  ретранслируя данные с находящихся на поверхности планеты исследовательских зондов. Планируется, что Mars Odyssey займется поддержкой миссии марсохода нового поколения Curiosity («Любопытство»), который должен прибыть на Красную планету в 2012 году.