2005年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭搭载天问一号探测器发射升空，飞行2000多秒后，成功将探测器送入预定轨道，开启火星探测之旅，迈出了中国自主开展行星探测的第一步。
天问一号探测器由环绕器、着陆器和巡视器组成，总重量达到5吨左右。
环绕器
环绕探测是火星探测的主要方式之一，也是行星探测开始阶段的首选方式。环绕器要完成的主要科学探测任务包括五大方面：火星大气电离层分析及行星际环境探测；火星表面和地下水冰的探测；火星土壤类型分布和结构探测；火星地形地貌特征及其变化探测；火星表面物质成分的调查和分析。
着陆器
天问一号环绕器进入环火轨道后，先开展约三个月的对地观测，特别是对预选着陆区进行详细勘测。之后携带火星车的着陆器将与环绕器分离，利用降落伞和反推火箭在火星表面着陆，并开展为期90个火星日（一个火星日约24小时39分35.2秒）的巡视探测任务。
火星车
“祝融号”火星车要完成的科学探测任务有：火星巡视区形貌和地质构造探测，火星巡视区土壤结构（剖面）探测和水冰探查，火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探查，以及火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。
应用材料
超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料：应用于火星探测器上气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位。
作用：在探测器着陆的阶段，该材料表面与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应，带走大量的热量；同时该材料还具有良好的保温隔热性能，将热浪排除在探测器之外，有效保护探测器不被烧坏。
连续纤维增强中密度防热材料：应用在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构的支撑部位以及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件。
作用：该材料相比低密度材料强度更高，密度为0.9g/cm3，兼顾了耐烧蚀和承载能力。
超轻质的烧蚀防热涂层材料：应用在气动加热较为缓和的背景部位。
作用：涂层密度为0.28g/cm3，热导率为0.06W/（m k），隔热性能优良，对着陆器的减重也起到重要作用。
特种吸能合金：应用于着陆机构。
作用：该合金具有突出的强韧性、轻质性和吸能性，可吸收探测器着陆的冲击能。
高性能碳化硅基增强铝基复合材料：应用于探测器高精密仪器。
作用：重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定，满足“天问一号”长时间运行时对关键机构的材料需求。
铝硅封装外壳：应用于探测器着陆系统的TR组件等核心元器件封装解决方案。
作用：保障探测器着陆系统电路的安全，为器件内部电路穿上安全可靠的保护衣，保障探测器在火星的安全平稳着陆。
新型铝基碳化硅复合材料：用于火星车结构、机构、仪器等几十种零部件。
作用：火星车要在工况复杂的火星表面长距离行走，这对火星车材料的轻量化、高强韧性、高尺寸稳定性、耐冲击性提出了极高的要求，传统铝、钛合金难以兼顾综合要求，新型铝基碳化硅复合材料可胜任。
新型镁铝合金：用于探测器结构。
作用：世界上最轻的金属结构材料之一，可实现探测器轻量化。
高精尖铝材（蒙皮板、自由锻件、超大规格板、锻环、铝锂合金）：应用于探测器。
作用：保障天问一号火星探测器长期的太空行驶及完成着陆。
有机热控涂层：航天器外表面及仪器表面。
作用：探测器在进入轨道后，处于地球大气层以外的超高真空空间环境，朝向太阳的部分表面温度非常高，而背向太阳的部分表面温度非常低，导致航天器“冰火两重天”。该材料可以保证探测器能够在极端复杂的温度下保持正常工作，通过调控温度达到热控需求。
纳米气凝胶：用于火星车。
作用：很轻、隔热性能好，在探测器“落”与“巡”两项任务中发挥作用。
聚合物智能复合材料：用于可展开柔性太阳能电池系统。
作用：实现柔性太阳能电池的锁紧、释放和展开，以及展开后高刚度可承载等功能。
飞行目标
天问一号执行中国首次火星探测任务，其飞行目标是：在国际上首次通过一次发射，实现火星环绕、着陆、巡视探测，使中国成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。
2005年7月27日，BJ航天飞行控制中心飞控团队与中国空间技术研究院试验队密切配合，控制“天问一号”探测器在飞离地球约120万千米处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了地月合影。在这幅黑白合影图像中，地球与月球一大一小，均呈新月状，在茫茫宇宙中相互守望。
2005年8月2日7时整，天问一号探测器3000牛发动机开机工作20秒，顺利完成第一次轨道中途修正，继续飞向火星。截至第一次轨道修正前，天问一号探测器各系统状态良好。
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