Активная система астроориентации имела датчики земной, звёздной и солнечной ориентации, систему исполнительных органов с управляющими соплами, работающими на сжатом газе, а также гироскопические приборы и логические блоки. Большую часть времени в полёте поддерживалась ориентация на Солнце для освещения солнечных батарей. Для предусмотренной коррекции траектории полёта станция была снабжена жидкостно-реактивным двигателем и системой управления. Для связи имелась бортовая радиоаппаратура (частоты 186, 936, 3750 и 6000 Мгц ), которая обеспечивала измерение параметров полёта, приём команд с Земли, передачу телеметрической информации в сеансах связи. Система терморегулирования поддерживала стабильную температуру 15—30 °С. За время полёта с «М.-1» проведён 61 сеанс радиосвязи, на борт передано более 3000 радиокоманд. Для траекторных измерений, кроме радиотехнических средств, был использован телескоп диаметром 2,6 м Крымской астрофизической обсерватории. Полёт «М.-1» дал новые данные о физических свойствах космического пространства между орбитами Земли и Марса (на расстоянии от Солнца 1—1,24 а. е. ), об интенсивности космического излучения, напряженности магнитных полей Земли и межпланетной среды, о потоках ионизированного газа, идущего от Солнца, и о распределении метеорного вещества (станция пересекла 2 метеорных потока). Последний сеанс состоялся 21 марта 1963 при удалении станции от Земли на 106 млн. км . Неисправность системы ориентации нарушила направленность антенн на Землю и не позволила далее осуществлять радиосвязь. Сближение с Марсом наступило 19 июня 1963 (от Марса около 197 тысяч км ), после чего «М.-1» вышел на гелиоцентрическую орбиту с перигелием около 148 млн. км и афелием около 250 млн. км .
«Марс-2» и «Марс-3» (рис. ) запущены 19 и 28 мая 1971, совершили совместный полёт и одновременные исследования Марса. Вывод на траекторию полёта к Марсу осуществлен с промежуточной орбиты ИСЗ последними ступенями ракет-носителей. Их конструкция и состав аппаратуры существенно отличаются от «М.-1». Масса «М.-2» («М.-3») 4650 кг . Конструктивно «М.-2» и «М.-3» аналогичны, имеют орбитальный отсек и спускаемый аппарат. Основные устройства орбитального отсека: приборный отсек, блок баков двигательной установки, корректирующий реактивный двигатель с узлами автоматики, солнечная батарея, антенно-фидерные устройства и радиаторы системы терморегулирования. Спускаемый аппарат — автоматическая марсианская станция, оборудованная системами и устройствами, обеспечивающими отделение аппарата от орбитальной станции, переход его на траекторию сближения с планетой, торможение, спуск в атмосфере и мягкую посадку на поверхность Марса. Автоматическая марсианская станция была снабжена приборно-парашютным контейнером, аэродинамическим тормозным конусом и соединительной рамой, на которой размещен ракетный двигатель. Перед полётом спускаемый аппарат был подвергнут стерилизации. Станции для обеспечения полёта имели ряд систем. В состав системы управления, в отличие от «М.-1», дополнительно входили: гиростабилизированная платформа (ГСП); бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) и система космической автономной навигации (СКАН). Кроме ориентации на Солнце, при достаточно большом удалении от Земли (около 30 млн. км ) проводилась одновременная ориентация на Солнце, звезду Канопус и Землю.
Работа бортового радиотехнического комплекса для связи с Землёй осуществлялась в дециметровом и сантиметровом диапазонах, а связь спускаемого аппарата с орбитальной частью станции — в метровом.
Источником энергопитания служили 2 солнечные батареи и буферная аккумуляторная батарея. На спускаемом аппарате устанавливалась автономная химическая батарея. Система терморегулирования активная, с циркуляцией газа, заполняющего приборный отсек. Спускаемый аппарат имел экранно-вакуумную теплоизоляцию, радиационный нагреватель с регулируемой поверхностью и электронагреватель. Двигательная установка многоразового действия.
В орбитальном отсеке находилась научная аппаратура, предназначенная для измерений в межпланетном пространстве, а также для изучения окрестностей Марса и самой планеты с орбиты искусственного спутника: феррозондовый магнитометр; инфракрасный радиометр для получения карты распределения температуры по поверхности Марса; инфракрасный фотометр для изучения рельефа поверхности по измерению количества углекислого газа; оптический прибор для определения содержания паров воды спектральным методом; фотометр видимого диапазона для исследования отражательной способности поверхности и атмосферы; прибор для определения радиояркостной температуры поверхности в диапазоне 3,4 см , определения её диэлектрической проницаемости и температуры поверхностного слоя на глубине до 30—50 см ; ультрафиолетовый фотометр для определения плотности верхней атмосферы Марса, определения содержания атомарного кислорода, водорода и аргона в атмосфере; счётчик частиц космических лучей; энергоспектрометр заряженных частиц; измеритель энергии потока электронов и протонов от 30 эв до 30 кэв .
На «М.-2» и «М.-3» находились 2 фототелевизионные камеры с различными фокусными расстояниями для фотографирования поверхности Марса, а на «М.-3» также аппаратура «Стерео» для проведения совместного советско-французского эксперимента по изучению радиоизлучения Солнца на частоте 169 Мгц .
В спускаемом аппарате была установлена аппаратура для измерения температуры и давления атмосферы, масс-спектрометрического определения химического состава атмосферы, измерения скорости ветра, определения химического состава и физико-механических свойств поверхностного слоя, а также получения панорамы с помощью телевизионных камер.
Полёт станций к Марсу продолжался более 6 мес , с «М.-2» проведено 153, с «М.-3» — 159 сеансов радиосвязи, получен большой объём научной информации. На расстоянии около 20 млн. км от Земли обнаружен «хвост» её магнитного поля. С увеличением расстояния от Солнца наблюдалось уменьшение электронной концентрации в межпланетной среде, а электронная температура оказалась в несколько раз меньше, чем вблизи Земли. Траектория полёта «М.-2» прошла на расстоянии 1380 км от поверхности Марса. При подлёте к Марсу от «М.-2» была отделена капсула, доставившая на поверхность планеты вымпел с изображением Государственного герба СССР. 27 ноября 1971 двигательная установка «М.-2» была включена и станция перешла на орбиту спутника Марса с периодом обращения 18 ч . 8 июня, 14 ноября и 2 декабря 1971 проведены коррекции «М.-3». Отделение спускаемого аппарата осуществлено 2 декабря в 12 ч 14 мин по московскому времени на расстоянии около 50 тысяч км от Марса. Через 15 мин , когда расстояние между станцией и спускаемым аппаратом было не более 1 км , спускаемый аппарат перешёл на траекторию встречи с планетой. Спускаемый аппарат двигался 4,5 ч к Марсу и в 16 ч 44 мин вошёл в атмосферу планеты. Спуск в атмосфере до поверхности продолжался немногим более 3 мин . Спускаемый аппарат совершил посадку в южном полушарии Марса в районе с координатами 45° ю. ш. и 158° з. д. На борту аппарата установлен вымпел с изображением Государственного герба СССР. Орбитальная станция «М.-3» после отделения спускаемого аппарата двигалась по траектории, проходящей на расстоянии 1500 км от поверхности Марса. Тормозная двигательная установка обеспечила переход её на орбиту спутника Марса с периодом обращения около 11 сут . 2 декабря в 16 ч 50 мин 35 сек началась передача видеосигнала с поверхности планеты. Сигнал был принят приёмными устройствами орбитальной станции и в сеансах связи 2—5 декабря передан на Землю.
Станции свыше 8 мес осуществляли комплексную программу исследований Марса с орбит его спутников. За это время станция «М.-2» совершила 362 оборота, «М.-3» — 20 оборотов вокруг планеты. Исследования свойств поверхности и атмосферы Марса по характеру излучения в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом диапазонах спектра и в диапазоне радиоволн позволили определить температуру поверхностного слоя, установить её зависимость от широты и времени суток; на поверхности выявлены тепловые аномалии; оценены теплопроводность, тепловая инерция, диэлектрическая постоянная и отражательная способность грунта; измерена температура северной полярной шапки (ниже —110 °С). По данным о поглощении инфракрасной радиации углекислым газом получены высотные профили поверхности по трассам полёта. Определено содержание водяного пара в различных областях планеты (примерно в 5 тысяч раз меньше, чем в земной атмосфере). Измерения рассеянной ультрафиолетовой радиации дали сведения о структуре атмосферы Марса (протяжённость, состав, температура). Методом радиозондирования определены давление и температура у поверхности планеты. По изменению прозрачности атмосферы получены данные о высоте пылевых облаков (до 10 км ) и размерах пылевых частиц (отмечено большое содержание мелких частиц — около 1 мкм ). Фотографии позволили уточнить оптическое сжатие планеты, построить профили рельефа по изображению края диска и получить цветные изображения Марса, обнаружить свечение атмосферы на 200 км за линией терминатора, изменение цвета вблизи терминатора, проследить слоистую структуру марсианской атмосферы. В 1973 запущены АМС «Марс-4» (21 июля), «Марс-5» (25 июля), «Марс-6» (5 августа), «Марс-7» (9 августа) для комплексного исследования Марса с пролётной траектории, с орбиты его искусственного спутника и непосредственно на планете. Для этого предусматривается создание искусственного спутника Марса и доставка на поверхность планеты спускаемого аппарата. Цель полёта: определение физических характеристик грунта, свойств поверхностной породы, экспериментальная проверка возможности получения телевизионных изображений и др.
