Målene med romsonden var å undersøke atmosfæren og overflaten på Merkur og Venus. Sekundære mål var å få erfaring med såkalte , der sonden skulle utnytte tyngdekraften fra de to planetene til å endre fart og retning. Mariner 10 ble den første romsonden til å utnytte denne metoden som senere ble benyttet av Voyager 1, Cassini-Huygens samt romsonden Ulysses.