آژانس فضایی اروپا پیش از این پنجره پرتاب را از ۲۳ مه به طول چهار هفته اعلام کرده بود، اما درست پیش از انتقال فضاپیما از تولوز فرا‌نسه به ایستگاه پرتاب بایکونور در قزاقستان، مهندسان یک نقص در یکی از ماژول‌های الک‌ترونیکی را شناسایی کردند.
به دلیل زمان مورد نیاز برای اصلاح، تاریخ پرتاب در ابتدا از ۲۳ مه به ششم ژوئن به تعویق افتاد که این تاریخ خارج از پنجره اصلی پرتاب بود. با این حال، تلاش‌های تیم مهندسی باعث شد کار سریع‌تر از پیش‌بینی به پایان برسد و تاریخ پرتاب مجددا به جلو انده شد.
پس از صدور مجوز نهایی، عملیات سوخت‌گیری مارس اکسپرس نزدیک به 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 برای بررسی‌های نهایی روی زمین قرار گرفت.
در دوم ژوئن ۲۰۰۳، موشک سایوز از بایکونور به فضا پرتاب شد و مارس اکسپرس سفر خود را آغاز کرد. پس از یک سفر ۲۰۵ روزه و طی مسیر ۴۰۰ می‌لیون کیلوم‌تری، کاوشگر فضایی به مدار مریخ رسید.
مدارگرد از آغاز سال ۲۰۰۴ اندازه‌گیری‌های علمی خود را با موفقیت آغاز کرد. این مشاهدات 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.
