23 مه 2003، پنجره پرتاب مارس اکسپرس باز شد و به مدت چهار هفته ادامه داشت. پنجره پرتاب دوره زمانی است که امکان پرتاب یک فضاپیما وجود دارد تا بتواند مأموریت خود را با موفقیت و طبق برنامه‌ریزی انجام دهد.
بااین‌حال، درست قبل از اینکه فضاپیما برای سفر به کیهان دروم بایکونور در قزاقستان، تولوز فرانسه را ترک کند، مهندسان یک نقص را در یکی از ماژول‌های الکترونیکی کشف کردند.
باتوجه به زمان تخمینی مورد نیاز برای اصلاح خطا، تاریخ پرتاب در ابتدا از 23 مه تا 6 ژوئن به تعویق افتاد.
با این‌حال، 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 فرگات، تقویت‌کننده موشک مرحله بالایی سایوز، متصل شد و با موشک سایوز جفت شد.
کل سیستم چهار روز قبل از راه‌اندازی روی سایت پرتاب پخش شد. 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 مارس اکسپرس موتور اصلی خود را در ساعت 03:47 به وقت اروپا، برای مصرف سوخت 37 دقیقه‌ای به‌منظور ورود به مدار مریخ روشن کرد.
مدارگرد از اوایل سال 2004 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 بین سیاره‌ای می‌شد.
