Naukowcy obserwowali z napięciem manewr wejścia na orbitę, bowiem od roku 1960 z 35 misji marsjańskich aż 21 zakończyło się fiaskiem. Tylko w latach 90. XX wieku NASA straciła w rejonie Marsa dwa pojazdy badawcze – w 1993 r. sondę Mars Observer i w 1999 sondę Mars Climate Orbiter.
24 marca 2006 przy użyciu kamery HiRISE sonda wykonała pierwsze zdjęcia testowe powierzchni Marsa.
We wrześniu 2006, po trwających wiele miesięcy hamowaniu atmosferycznym oraz wykonaniu serii manewrów korekcyjnych, sonda osiągnęła orbitę docelową. 16 września rozłożono anteny radaru SHARAD.
Sonda MRO z niskiej orbity bada planetę, jej atmosferę, klimat i rzeźbę terenu. Jednym z najważniejszych zadań jest poszukiwanie śladów wody w stanie płynnym oraz miejsc nadających się na lądowiska dla przyszłych misji załogowych.
Wraz z przybyciem sondy MRO, liczba krążących wokół Marsa satelitów badawczych wzrosła do czterech – trzech amerykańskich (Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Global Surveyor i Mars Odyssey) i jednego europejskiego (Mars Express). Było to wydarzenie bez precedensu w historii badań planetarnych. Obecnie, po awarii sondy Mars Global Surveyor, trzy z nich wciąż obserwują Marsa.