Misia Vrchol sopky Ascraeus Mons vyrastajucí nad celoplanetárnou prachovou búrkou Misia Mariner v roku 1971 bola pôvodne koncipovaná tak, že bude uskutočnená dvojicou sond Mariner 8 a 9. Každá sonda sa mala zamerať na iný aspekt misie: Mariner 8 mal zmapovať až 70 % povrchu planéty, a Mariner 9 sa mal venovať výskumu prechodných zmien v atmosfére a na povrchu planéty. Sonda Mariner 8 však havarovala počas štartu po zlyhaní nosnej rakety, a tak bolo nutné zlúčiť program oboch sond do jedinej sondy, čo malo za následok obmedzenie výskumu polárnych oblastí a redukciu pozorovania prebiehajúcich zmien povrchu. Štart nosnej rakety úspešne prebehol 30. mája 1971 v čase 22:23:00 UTC. O 13 minút neskôr došlo k oddeleniu nosnej rakety od sondy, o 4 minúty neskôr sa rozvinuli solárne panely. Krátko potom, čo sa sonda dostala z tieňa Zeme, objavil orientačný snímač Slnko a 31. mája v 02:26 došlo k orientácii sondy smerom na Canopus (spolu so Slnkom jeden z dvoch orientačných bodov sondy). Počas letu sa 5. júna uskutočnila korekcia dráhy. 14. novembra sa sonda priblížila k Marsu po prekonaných 398 miliónoch kilometrov a začal brzdiaci manéver za pomoci hlavného raketového motoru, ktorý trval 15 minút a 23 sekúnd. Brzdenie prebehlo dobre a sonda sa dostala na obežnú dráhu okolo Marsu po 167 dňoch letu kozmickým priestorom s najbližším priblížením k planéte na 1 398 km a obežnou dobou 12 hodín a 34 minút. O dva dni neskôr bol uskutočnený ďalší korekčný manéver trvajúci 6 sekúnd pre upravenie obežnej dráhy na dráhu s obežnou dobou tesne pod 12 hodín a priblížením 1 387 km. Záverečná korekcia bola uskutočnená 30. decembra, keď sa už sonda dostala na konečnú obežnú dráhu umožňujúcu vysielať dáta na pozemský rádioteleskop v Goldstone s obežnou dobou 11 hodín 59 minút a 28 sekúnd a priblížením 1 650 km. Mariner 9 obiehal po 349 dní na orbite Marsu 2-krát denne planétu s 12 hodinovou periódou, počas ktorej ho podrobne mapoval. Plánovaná životnosť sondy bola 9 mesiacov, ktoré sonda ale prekonala o takmer 30 %. Pri prílete sondy k planéte bol povrch Marsu úplne zahalený globálnou prachovou búrkou, ktorá zúrila v celej atmosfére. Búrka vypukla v oblasti Noachis 22. septembra, rozšírila sa do celej atmosféry a skoro sa stala najväčšou pozorovanou búrkou na povrchu Marsu všetkých dôb. Množstvo prachu v atmosfére bolo príliš veľké, než aby zaslané fotografie ukázali niečo z povrchu, s výnimkou vrcholkov najvyšších sopiek v oblasti Tharsis, a tak bol z riadiaceho strediska vyslaný príkaz, aby sonda pozdržala výrobu mozaikových snímok vo vysokom rozlíšení do doby, keď sa atmosféra prečistí. V novembri a decembri začala búrka pomaly slabnúť a na začiatku roku 1972 skutočne ustala, čo umožnilo sonde začať mapovať povrch a posielal na Zem snímky povrchových útvarov. Na získaných snímkoch sa objavil členitý terén, ktorý nebolo možné zo Zeme pozorovať ďalekohľadmi, zložený z množstva kráterov (vrátane obrovskej impaktnej oblasti Hellas Planitia), obrovských sopiek (vrátane najväčšej známej hory slnečnej sústavy Olympus Mons), kaňonov (vrátane Valles Marineris - systém kaňonov tiahnúci sa cez 4 000 kilometrov), útvarov vzniknutých veternou a vodnou erózií či riečnych korýt. V atmosfére objavila sonda dôkazy o existencii premenlivého počasia, postupu frontu, hmlu a ďalšie javy. Počas obehov okolo planéty boli skúmané aj mesiace Phobos a Deimos, vďaka čomu vznikli prvé kvalitné fotografie ich povrchov. Koncom októbra 1972 bola sonda vypnutá, pretože sa vyčerpala zásoba dusíka v orientačnom a stabilizačnom systéme.