آژانس فضایی اروپا پیش‌تر اعلام کرده بود که پنجره پرتاب مارس اکسپرس در ۲۳ مه آغاز شده و چهار هفته ادامه خواهد داشت. با این حال، درست پیش از آنکه فضاپیما برای سفر به ایستگاه پرتاب بایکونور در قزاقستان، شهر تولوز فرا‌نسه را ترک کند، مهندسان یک نقص در یکی از ماژول‌های الک‌ترونیکی کشف کردند.
با توجه به زمان تخمینی مورد نیاز برای اصلاح اشکال، تاریخ پرتاب در ابتدا از ۲۳ مه تا ششم ژوئن به تعویق افتاد که این بازه خارج از پنجره پرتاب بود. بااین‌حال، به لطف تلاش و فداکاری تیم مهندسی، کار سریع‌تر از انتظار به پایان رسید و تاریخ پرتاب مجددا به جلو آمد.
پس از دریافت چراغ سبز، عملیات سوخت‌رسانی مارس اکسپرس آغاز شد که حدود یک هفته طول کشید. سپس فضاپیما به تحکیم‌کننده موشک مرحله بالایی سایوز متصل و با آن جفت گردید. کل سیستم چهار روز قبل از راه‌اندازی روی پرتاب قرار گرفت.
در دوم ژوئن ۲۰۰۳، موشک سایوز از بایکونور به فضا پرتاب شد و مارس اکسپرس مسیر خود را به سمت سیاره سرخ آغاز کرد. پس از یک سفر ۲۰۵ روزه و طی حدود ۴۰۰ می‌لیون کیلوم‌تر، کاوشگر فضایی به مدار مریخ رسید.
مدارگرد از آغاز سال ۲۰۰۴ اندازه‌گیری‌های علمی خود را با موفقیت انجام داد. این اطلاعات شامل تصویربرداری با وضوح بالا و نقشه‌برداری کانی‌شناسی از سطح، صداگذاری راداری از ساختار زیرسطحی، تعیین دقیق گردش و ترکیب اتمسفر، و مطالعه برهم‌کنش جو با محیط بین‌سیاره‌ای می‌شد.