3 مه 2003، فضاپیمای «مارس اکسپرس» چراغ سبز نهایی را برای پرتاب، پس از تکمیل یک بررسی موفقیت‌آمیز دریافت کرد.
آژانس فضایی اروپا پیشتر اعلام کرده بود که پنجره پرتاب مارس اکسپرس در 23 مه باز خواهد شد و چهار هفته ادامه خواهد داشت. بااین‌حال، درست قبل از اینکه فضاپیما برای سفر به ایستگاه پرتاب کیهان‌دروم بایکونور در قزاقستان، تولوز فرانسه را ترک کند، مهندسان یک نقص را در یکی از ماژول‌های الکترونیکی کشف کردند.
باتوجه به زمان تخمینی موردنیاز برای اصلاح خطا، تاریخ پرتاب در ابتدا از 23 مه تا 6 ژوئن به تعویق افتاد و این بازه خارج از پنجره پرتاب بود. بااین‌حال، به لطف مهارت و فداکاری تیم مهندسی، کار زودتر از حد انتظار به پایان رسید و تاریخ پرتاب به جلو پیش رفت.
با نشان‌دادن چراغ سبز، سوخت مارس اکسپرس تأمین شد، عملیاتی که حدود یک هفته طول کشید. سپس به تقویت‌کننده موشک مرحله بالایی سایوز متصل شد و با آن جفت شد. کل سیستم چهار روز قبل از راه‌اندازی روی زمین پخش شده بود.
در 2 ژوئن 2003، موشک سایوز از بایکونور بلند شد و مارس اکسپرس در راه بود. پس از یک سفر 205 روزه و طی 400 میلیون کیلومتر، کاوشگر فضایی به مدار مریخ رسید.
مدارگرد از اوایل سال 2004 اندازه‌گیری‌های علمی خود را با موفقیت انجام داد. 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 بین سیاره‌ای می‌شد.