При помощи «Марс-экспресса» удалось провести измерения структуры атмосферы Марса, а также построить карты распределения в ней озона и водяного пара. Были открыты облака из сухого льда, влияющие на климат, и аэрозольные частицы, которые заполняют атмосферу до высоты около 100 км, а также обнаружено ночное свечение монооксида азота, известное ранее только на Венере. Было проведено минералогическое картирование планеты, из которого ученые сделали выводы об отсутствии карбонатов, а, следовательно, о недостаточном запасе углекислого газа для преобразования климата. Станция зафиксировала метан в атмосфере, что является свидетельством либо жизнедеятельности микроорганизмов, либо геологической активности.

В 2010–2011 годах «Марс-экспресс» исследовала Фобос (луну Марса), измерив гравитацию и сделав снимки обратной стороны спутника, которая ранее не была запечатлена.