Конструктивно «Марс-2» и «Марс-3» были аналогичны и дублировали друг друга на случай возможного сбоя. На аппаратах находились 2 фототелевизионные камеры с различными фокусными расстояниями для фотографирования поверхности Марса, а на «Марсе-3» также аппаратура «Стерео» для проведения совместного советско-французского эксперимента по изучению радиоизлучения Солнца на частоте 169 МГц. В составе каждого КА был орбитальный отсек и спускаемый аппарат.
Основные устройства орбитального отсека: приборный отсек, блок баков двигательной установки, корректирующий реактивный двигатель с агрегатами автоматики, солнечная батарея, антенно-фидерные устройства и радиаторы системы терморегулирования. Спускаемый аппарат - автоматическая марсианская станция (АМС), оборудованная системами и устройствами, обеспечивающими отделение аппарата от орбитального отсека, переход его на траекторию сближения с планетой, торможение, спуск в атмосфере и мягкую посадку на поверхность Марса. Автоматическая марсианская станция была снабжена приборно-парашютным контейнером, аэродинамическим тормозным конусом и соединительной рамой, на которой размещен ракетный двигатель.
В спускаемом аппарате была установлена аппаратура для измерения температуры и давления атмосферы, масс-спектрометрического определения химического состава атмосферы, измерения скорости ветра, определения химического состава и физико-механических свойств поверхностного слоя, а также для получения панорамы с помощью телевизионных камер.

•  Дата старта «Марс-2»: 19 мая 1971 года в 20:22 МСК
•  Дата старта «Марс-3»: 28 мая 1971 года в 19:26 МСК
•  Ракета-носитель: «Протон-К» с разгонным блоком «Д»
• Масса КА: 4625 кг
•  Масса орбитального аппарата: 3625кг
•  Масса автоматической марсианской станции после посадки: 355 кг.

После потери М-71С осталось надеяться на безупречную работу системы космической автономной навигации (СКАН). Решение о разработке этой системы, не имеющей аналогов в мире, и установке ее на 2-й и 3-й КА принял Совет главных конструкторов в начале 1970 г. как запасной вариант на случай аварии станции М-71С. В системе использовался оптический угломер. За 7 час до прилета к Марсу прибор должен был провести первое измерение углового положения Марса относительно базовой системы координат. Данные измерений передавались в бортовой компьютер системы управления, который рассчитывал вектор третьей коррекции, необходимый для перевода станции на номинальную траекторию. По результатам расчетов система управления КА без вмешательства с Земли выдавала команды на выполнение коррекции.По результатам внешнетраекторных измерений 5 июня на «Марсе-2» и 8 июня на «Марсе-3» были проведены первые коррекции траектории их движения. Бортовая аппаратура станций работала без замечаний. Из-за особенности траекторий полета к Марсу сеансы связи со станциями проводились ночью. Полет «Марсов» продолжался. В ноябре 1971 г. успешно провели вторые коррекции траекторий движения. До прилета станций к Марсу оставались считанные дни. Погода на планете была неблагоприятной для наблюдений с орбитальных станций, и, тем более, для посадки спускаемого аппарата: уже несколько недель на Марсе бушевала необычно сильная пылевая буря, охватившая всю поверхность планеты. Астрономы такой мощной бури на Марсе не фиксировали за всю историю его наблюдений.21 ноября 1971 г. с использованием системы космической автономной навигации провели третью коррекцию траектории движения «Марса-2». Спускаемый аппарат «Марса-2» был отстыкован от орбитального отсека 27 ноября 1971 года, а сама станция выведена на орбиту искусственного спутника Марса (ИСМ) с периодом обращения 18 часов. Перед отделением спускаемого аппарата бортовая ЭВМ, из-за программной ошибки сработала неправильно и в спускаемый аппарат были введены ошибочные уставки, предусматривающие нерасчетную ориентацию станции перед отделением. Через 15 мин после отделения на спускаемом аппарате включилась твердотопливная двигательная установка. Она все-таки обеспечила перевод спускаемого аппарата на траекторию попадания на Марс. Однако угол входа в атмосферу оказался больше расчетного. Спускаемый аппарат слишком круто «зарылся» в марсианскую атмосферу, из-за чего не успел затормозить на этапе аэродинамического спуска. Парашютная система уже ничего не смогла сделать. 27 ноября 1971 г. СА, «прошив» атмосферу « Красной планеты», разбился о поверхность Марса в точке с координатами 4° с .ш. и 47° з.д. (Долина Нанеди в Земле Ксанфа), впервые в истории достигнув поверхности Марса. На борту СА был закреплен вымпел СССР. «Марс-2» стал первым искусственным предметом на планете. Отклонения от расчетных значений периодов обращений ИСМ и траектории движения СА станции «Марс-2» были следствием недостатка времени на отработку матобеспечения бортового компьютера. Последующий анализ установил, что «Марс-2» шел точно по расчетной траектории и коррекция не требовалась. Но этот вариант не успели проверить на стенде системы управления! Такого развития событий можно было избежать при функционировании на орбите Марса станции М-71С. Тогда по измерениям с Земли могли бы установить, что станция идет по номинальной траектории и коррекция была бы отменена. После потери СА «Марса-2» основные надежды стали возлагаться на подлетающую к красной планете станцию «Марс-3».Третью коррекцию траектории «Марса-3» провели штатно 2 декабря 1971 г. Спускаемый аппарат отделился и перешел на расчетную траекторию встречи с планетой. Через 4 часа 35 минут он вошел в атмосферу со скоростью 5800 м/с, уменьшил скорость за счет аэродинамического торможения, открыл парашют - и автоматическая марсианская станция совершила посадку на поверхность планеты в районе с координатами 158° западной долготы и 45° южной широты. Орбитальный отсек «Марс-3» был выведен на орбиту ИСМ с периодом обращения 12 суток 19 часов.Информация с АМС записывалась на магнитофон орбитальной станции и передавалась на Землю после завершения операции выведения станции на орбиту ИСМ. Информация с АМС передавалась циклами; каждый цикл состоял из передачи панорамы поверхности длительностью в 1 минуту с последующей посылкой телеметрии. Наконец началась передача панорамы. Полученное изображение представляло собой серый фон без единой детали. Через 14.5 секунд сигнал пропал. Такая же картина повторилась со вторым телефотометром. Объяснить причину потери связи с АМС тогда не смогли. Уже позже была выдвинута версия о том, что, вероятно, коронный разряд в антеннах передатчика был причиной внезапного исчезновения сигнала с поверхности.Пылевая буря продолжала бушевать. «Марсы» проводили съемку поверхности, но пыль полностью скрывала рельеф. Не видно было даже горы Олимп, возвышающейся на 26 км. В одном из сеансов съемки была получена фотография полного диска Марса с четко выраженным тонким слоем марсианских облаков над пылью. Во время этих исследований в декабре 1971г. пылевая буря подняла в атмосферу столько пыли, что планета выглядела мутным красноватым диском. Однако низкое качество изображений Марсов объяснялось не только пылевой бурей. Причина оказалась в фототелевизионной установке (ФТУ) Марсов. Их разработчики использовали неправильную модель Красной планеты. Из-за этого были выбраны неправильные выдержки ФТУ, фотографии получались пересветленными. Сделали несколько серий снимков (каждый по 12 кадров) и, убедившись в их практически полной непригодности, от использования ФТУ на аппаратах отказались. Аппараты функционировали на орбите Марса более 8 месяцев и прекратили работу практически одновременно, израсходовав бортовой запас азота в системе ориентации 23 августа 1972 г.

НАУЧНАЯ АППАРАТУРА

Орбитальный аппарат

Для проведения исследований, как на трассе перелета, так и на орбите искусственного спутника Марса, на орбитальном аппарате установлены научные приборы:

     - прибор ИВ‑2 для изучения распределения водяного пара по диску планеты;

     - ультрафиолетовый спектрометр УФС-1 для определения газового состава и плотности атмосферы;

     - ФКМ-71 для изучения рельефа по распределению СО₂, определения распределения концентрации газа в атмосфере, яркостной температуры планеты и атмосферы;

     - радиочастотный радиометр РА-71 для определения диэлектрической проницаемости, поляризации и температуры поверхности планеты;

     - трехкомпонентный магнитометр СГ-70 для измерения магнитного поля по трассе перелета и вблизи планеты;

     - РИЭП-2801 для измерения потоков электронов и протонов на трассе перелета и у планеты;

     - КС-18-5М для регистрации космических излучений и радиационных поясов планеты.

Для получения изображений марсианской поверхности на борту орбитального аппарата внутри торового приборного отсека установлено фототелевизионное устройство. Собственно ФТУ состоит из двух фотоаппаратов. Один из них – ФТУ-II – короткофокусный с фокусным расстоянием 52 мм предназначен для обзорной съемки. Он снабжен четырьмя сменными светофильтрами: красным, зеленым, синим и оранжевым. Для детальной съемки предназначен другой фотоаппарат – ФТУ-III – с фокусным расстоянием 350 мм, перед которым установлен оранжевый светофильтр. Съемка проводится на неперфорированную фотопленку шириной 25,4 мм циклами по 12 кадров. Шторный фотозатвор обеспечивает выдержку 1/50 секунды. Пленка каждого фотоаппарата рассчитана на 440 кадров.

После съемки пленка подвергается химической обработке и сушке. Изображения с проявленной пленки считываются специальным фототелевизионным устройством в различных режимах. В просмотровом режиме каждый кадр передается в виде 250 строк по 250 элементов, в режиме номинальной четкости – 1000×1000, а в режиме с максимальной четкостью – 2000×2000. Время передачи одного кадра во время воспроизведения по сантиметровой радиолинии в просмотровом режиме составляет 140 секунд, а в режиме номинальной четкости (1000×1000) ~35 минут.

Воспроизведение изображений с ФТУ можно вести и по дециметровой радиолинии. При этом время передачи одного кадра существенно возрастает. 

Кроме того, информация с ФТУ может переписываться на магнитофон телеметрической системы с последующим воспроизведением по сантиметровой или дециметровой радиолинии.

Дополнительно на орбитальном аппарате «Марса-3» установлен французский прибор «Стерео» для измерения всплесков радиоизлучения Солнца в метровом диапазоне (169 МГц). Штыревые антенны прибора «Стерео» были установлены на панелях солнечных батарей.

Спускаемый аппарат

Для проведения исследований на участке парашютного спуска и непосредственно на поверхности Марса спускаемый аппарат оснащен комплексом научной аппаратуры.

В верхней части АМС установлены два телефотометра, аналогичных оптико-механической телевизионной камере (телефотометру) Я-198, примененной на «Луне-9». Они обеспечивают передачу черно-белой панорамы марсианской поверхности размером 500 на 6000 элементов изображения с перекрытием полей обзора поверхности порядка 130º. Передача одной панорамы должна начинаться сразу после посадки, еще одна – через сутки.

Для определения физико-механических свойств грунта на АМС установлен прибор ПрОП-М, представляющий собой маленький, шагающий марсоход, управляемый по проводам. 

Состав научной аппаратуры, установленной на АМС: 

     - прибор ИТД для измерения температуры и давления марсианской атмосферы;

     - масс-спектрометр МХ‑6408 для определения химического состава атмосферы;

     - автоматическая активационная лаборатория ААЛ-2 для определения типа поверхностных пород;

     - прибор ИПС для измерения скорости ветра и плотности газа;

     - два телефотометра для получения панорамных фотоснимков;

     - прибор ПрОП-М для определения прочности поверхностного слоя грунта.

Полет космических аппаратов «Марс-2» и «Марс-3» к Марсу продолжался более 6 месяцев. С «Марсом-2» проведено 153, с «Марсом-3» 159 сеансов радиосвязи, получен большой объем научной информации и опыт управления КА на марсианском направлении. На расстоянии около 20 млн. км от Земли обнаружен магнитный шлейф ее магнитного поля. С увеличением расстояния от Солнца наблюдалось уменьшение электронной концентрации в межпланетной среде, а электронная температура оказалась в несколько раз меньше, чем вблизи Земли.
Более 8 месяцев орбитальные станции «Марс-2» и «Марс-3» проводили исследования планеты. За это время станция «Марс-2» совершила 362 оборота, «Марс-3» - 320 оборотов вокруг планеты, в результате чего были определены свойства поверхности и атмосферы Марса по характеру излучения в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом диапазонах спектра и в радиодиапазоне. Орбитальные аппараты определили давление и температуру атмосферы у поверхности, температуру поверхностного слоя Марса и ее изменения в зависимости от времени и широты. Были получены сведения о характере поверхностных пород и высотных профилях поверхности, о плотности грунта, его теплопроводности, диэлектрической проницаемости и отражательной способности, выявлены тепловые аномалии на поверхности Марса, установлено, что его северная полярная шапка имеет температуру ниже минус 110°С и что содержание водяного пара в атмосфере Марса в пять тысяч раз меньше, чем на Земле. Получены данные о структуре верхней атмосферы Марса, зарегистрировано наличие у него собственного магнитного поля. По изменению прозрачности атмосферы получены данные о высоте пылевых облаков (до 10 км) и размерах пылевых частиц (отмечено большое содержание мелких частиц - около 1 мкм). Фотографии позволили уточнить оптическое сжатие планеты, построить профили рельефа по изображению края диска и получить цветные изображения Марса, обнаружить свечение атмосферы на 200 км за линией терминатора, изменение цвета вблизи терминатора, проследить слоистую структуру марсианской атмосферы.
Выдающимся достижением было и то, что впервые в истории аппарат с Земли совершил мягкую посадку на поверхность планеты Марс.