Lądownik Mars 3 był zamknięty w specjalnym module opadania, wyposażonym w spadochron oraz rakiety hamujące. Sam lądownik miał kształt podobny do lądownika sondy Łuna 9, jednak różnił się od niego znacząco. Był wyposażony w dwie kamery telewizyjne i spektrometr, oraz urządzenia do badania mechanicznych i chemicznych właściwości gruntu.
Lądownik wylądował na Marsie 2 grudnia 1971 o 13:49 czasu GMT (pięć dni po rozbiciu się identycznego lądownika sondy Mars 2), w kraterze Ptolemaeus, w miejscu o przybliżonych współrzędnych . Urządzenie rozpoczęło pracę, jednak po 14,5 s pracy łączność między lądownikiem a Ziemią zanikła. Jedyne dane przesłane przez lądownik to nieczytelny fragment obrazu; można jedynie stwierdzić, że natężenie oświetlenia terenu było małe (około 70 luksów).
Wewnątrz lądownika znajdował się łazik o nazwie PrOP-M (ros. Прибор оценки проходимости – Марс, „instrument oceny drożności – Mars”), który miał być wypuszczony za pomocą manipulatora i przejść na płozach w pole widzenia kamer, zatrzymując się co 1,5 m na badania. Z powodu awarii lądownika łazik nie został wypuszczony.