۲۳ مه ۲۰۰۳ پنجره پرتاب مارس اکسپرس باز شد و به مدت چهار هفته ادامه یافت. پنجره پرتاب دوره زمانی است که امکان پرتاب یک فضاپیما وجود دارد تا مأموریت را با موفقیت و طبق برنامه انجام دهد.
با این حال، درست قبل از اینکه فضاپیما برای سفر به کیهان‌دروم بایقونور در قزاقستان، تولوز فرا‌نسه را ترک کند، مهندسان یک نقص را در یکی از ماژول‌های الک‌ترونیکی کشف کردند.
با توجه به زمان تخمینی مورد نیاز برای اصلاح اشتباه، تاریخ پرتاب در ابتدا از ۲۳ مه تا ۶ ژوئن به تعویق افتاد.
با این حال، به لطف توانایی و فداکاری تیم مهندسی، کار سریع‌تر از انتظار به پایان رسید و تاریخ پرتاب به جلو پیش رفت.
پس از دریافت چراغ سبز، سوخت‌گذاری مارس اکسپرس انجام شد که نزدیک به یک هفته طول کشید. سپس فضاپیما به فرگات، تحکیم‌کننده موشک مرحله بالایی سایوز، متصل شد و با موشک سایوز جفت گردید.
کل سیستم چهار روز قبل از راه‌اندازی روی سایت پرتاب مستقر شد. در ۲ ژوئن ۲۰۰۳، موشک سایوز از بایقونور بلند شد و مارس اکسپرس در راه مریخ قرار گرفت.
پس از یک سفر ۲۰۵ روزه و طی ۴۰۰ می‌لیون کیلوم‌تر، کاوشگر فضایی مارس اکسپرس موتور اصلی خود را در ساعت ۰۳۴۷ به وقت اروپا، برای مصرف سوخت ۳۷ دقیقه‌ای به منظور ورود به مدار مریخ روشن کرد.
مدارگرد از آغاز سال ۲۰۰۴ اندازه‌گیری‌های علمی خود را با موفقیت انجام داد که 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.
