火星，是太阳系第二容易到达的行星。只需要最少8.5，最大14的C3。就可以在6-10个月的转移后抵达火星，而作为处在金凤花带之外的第一颗太阳系行星，人们也曾认为火星与地球极为相似，乃至火星必然存在某种生命形式。1877年火星大冲，斯基亚帕雷利对于“火星运河”的发现更让天文学家相信火星上存在智慧生命。虽然1909年，罗威尔的“火星灌溉网”观念已经被抛弃，但是人们仍然认为火星仍然存在藻类之类的简单植物和真菌形式。早期天文学家对火星大气压力的估计很不准确，至少超过25hPa，有些模型甚至达到了120hPa。这也影响了火星探测器的最初设计。
1956年，科罗廖夫开始规划金星探测计划和火星探测计划。
托起苏联探火之旅的自然是8K78闪电号运载火箭。当然，发射过第一个日心轨道航天器的8K72月球号运载火箭曾也在计划之中。在1957年，前苏联使用“一级半”*构型的卫星号运载火箭成功发射了卫星1号，并在1958年使用“二级半”构型发射了月球1号航天器之后，科罗廖夫计划使用R-7E/8K72月球号运载火箭并且改进其Blok E组级以发射更大的火星探测器。279吨的8K72火箭可以将360kg的探测器发往奔月轨道。但是苏联科学院应用数学研究所的工作人员说服了科罗廖夫，使他相信一个四级火箭的可靠性更高，并且具备更高的运载能力。这就是8K78运载火箭。得名闪电号（Molynia）则是在1965年该火箭成功发射闪电号卫星后。
8K78运载火箭在8K71O火箭基础上修改了一级顶端储箱，安装了2个串联上面级，即Blok I组级及Blok L组级。前者使用单台RD-0110火箭发动机——这个组级至今仍在使用——而后者使用单台11D33火箭发动机。火箭的起飞质量也达到了305吨，具备将1620kg的探测器发往月球，1120kg的探测器发往金星，及950kg的探测器发往火星的能力。
Blok I组级的发动机RD-0110来自于前苏联的洲际弹道导弹R-9（北约代号SS-8“黑羚羊”）第二级。在弹道导弹上其编号为RD-461。RD-0110发动机使用燃气发生器循环。
而Blok L组级的11D33/S1.5400火箭发动机，是人类历史上第一台分级燃烧液氧-煤油火箭发动机。11D33发动机真空推力63.74kN，真空比冲3335.4N·s/kg（340s，一说338.5s）。室压5.4MPa，工作时间207s。具备2次启动能力。发动机使用火药启动器推动涡轮点火。在发动机工作期间，抽取涡轮后富氧燃气进行滚控。Blok L组级分离采用冷分离模式，由侧推火箭将Blok I组级分开。
Blok L组级使用了类似Blok E组级的环形储箱，煤油储箱在下，液氧储箱在上，11D33发动机安装在煤油储箱中间。其在Blok I组级工作结束后进入滑行段，在第1次启动期间，4台沉底固体发动机点火沉底，随后11D33发动机进行一次短点火进入绕地轨道。随后由安装在L组级桁架上的控制系统维持滑行段航天器姿态。1.5小时后，第二组沉底发动机点火，随后11D33发动机开始燃烧，这时带着姿态控制系统和沉底发动机的桁架被抛弃，滞留在近地轨道上，自然再入。
闪电号运载火箭是第一款实用的行星际探测载具，而Blok L组级作为一个复杂的行星际任务出发级，遭受了多次重大故障才堪堪可用。
第一个火星探测器名为1M。探测器使用三轴稳定平台。1M和1V金星航天器采用几乎完全相同的设计，只是通过不同的修改来适应不同任务的需求。最初，科罗廖夫计划直接向火星发射3个携带着陆器的探测器，直接利用大气层减速并使用降落伞着陆到地表。但是这很快就被证明是不切实际的。因为缺乏天体数据，尤其是大气数据，包括成分、气压、密度和温度分布曲线，工程师被迫使用天文学家使用望远镜测量的数据。而因为无法确定行星星历，着陆器的定位根本无法简单实现，甚至着陆器的投放误差会大于火星本身直径。这些复杂的问题在那个时代根本无法解决，只得作罢。科罗廖夫的计划修改为3次发射，包括发射2个飞掠探测器确定火星的星历、大气数据和行星科学数据。随后发射着陆器。但是随着研制工作不断推进，在使用R-11A运载火箭（基于R-11/SS-1b“飞毛腿”战术弹道导弹研制的探空火箭）在卡普斯京亚尔航天发射基地进行了5次R-11A-MV的试验，着陆器在50km高度进行降落伞展开测试。但是在那一年发射窗口开启前不久，着陆器被取消研制。
如果1M火星探测器和稍晚发射的1V探测器都能成功，那这些探测器会在1961年5月集中完成火星和金星的飞掠任务。届时苏联刚刚完成首次载人航天，那对西方国家产生的压迫感将远超卫星1号。1960年1月，玉米晓夫在与科罗廖夫等前苏联航天专家会面时表达了对美国不断发展的航天计划的担忧。并且催促科罗廖夫加快研制行星探测器。虽然当时距离发射只有8个月，但是赶鸭子上架，不打也得打。
1960年2月底，科罗廖夫制定了一份计划表，将在10月使用8K78运载火箭发射火星探测器。团队对紧迫的时间感到怀疑和畏惧，因为此时Blok L组级还只是一张图纸。且1M航天器的设计也未完成。1960年1月，8K78火箭执行了2次使用模拟Blok L组级的试飞，均获得了成功。科罗廖夫决定加紧时间，在堪称荒谬的时间表内最后以“投入了极大的热情想要击败美国”而加紧工作，成功在窗口内将1M火星探测器推到了发射台上。
1960年恰好有一个火星转移窗口，最佳时机在9月27日，出发C3比较高，大约在13km²/s²以上。1960年3月15日，1M火星探测器的科学目标确定：
1. 在5000-30000km的距离上飞掠火星，以3-6km的分辨率拍摄火星的照片，并且要覆盖一个火星极地地区；
2. 覆盖反射光谱内的红外C-H波段，搜寻表面存在的植物及其他有机物；
3. 研究火星光谱中的紫外线波段。
1M火星探测器发射质量650kg，携带了130kg的偏二甲基肼-硝酸推进剂。探测器其实就是个圆柱体，长2.035m，直径1.05m。加压舱内压力为1.2bar，循环通风系统将舱内温度维持在30℃。携带1台KDU-414（Korrektiruyushaya Dvigatelnaya Ustanovka)火箭发动机，总工作时间40s。航天器使用三轴稳定，由基于月球3号的氮气姿态RCS实施姿态控制。
探测器配置有2片1.0m×1.6m的太阳能帆板，总太阳能发电面积为2.0㎡，航天器携带有一块用于蓄电的银锌电池。
探测器并没有配置导航计算机，反正也塞不进去。电子设备为1个磁带记录器和1个程序定时器（实际上是一个时钟时间顺序器，或者就是个闹钟，需要根据发射时间来对其进行预先设置）。通信系统包括3个分系统：直径2.33m的高增益天线，由高纯度铜网制成，用于3.7GHz和922MHz波段的发射机（一说只有922MHz发射机）；中增益天线包括2条十字形的天线，安装在太阳能帆板的后部，接收922.8MHz的低带宽遥测信号。低增益天线安装在2.2m长的磁力计吊臂末端，工作于768.6MHz（一说770MHz），以1.6bit每秒的速率传输。在执行指令上行前，1M火星探测器会下行确认信号，随后等到地面确认后才执行。
1M火星探测器配置有8种仪器：
·安装在2.2m吊臂上用于搜寻火星磁场的的三通道闸门磁力计
·用于研究行星际等离子体介质的离子阱带电粒子探测器
·用于研究对行星际航天器有害的微流星体探测器
·用于测量太空辐射危害的宇宙射线探测器
·用于测量火星表明温度的红外辐射计
·用于拍摄火星地表的FTU传真胶片摄像机系统[未被发射]
·用于搜寻有机化合物的红外3-4mm C-H波段光谱仪[未被发射]
·用于确定火星大气成分的紫外光谱仪[未被发射]
传真胶片摄像机系统安装在加压舱内（一说紫外光谱仪也安装在舱内，但另一份资料表示并未安装于此），而其余的设备安装在舱外。传真胶片摄像机系统由月球3号航天器的成像系统改进而成，利用3.7GHz信道传输图片，计划由火星传感器启动。
红外光谱仪计划勘察近红外的“辛顿谱段”，以此推断火星表面黑暗地区的季节变化是否由植被引起。
宇宙射线探测器包括1个盖革计数器和1个安装在增压舱内的碘化铯闪烁器。
有效载荷的总质量为10kg。
9月20日，地火转移窗口打开，但是由于紧张的工期，航天器几乎是被胡乱的拼凑在一起的，制造过程中存在着大量问题。8月底探测器才运抵发射场展开总装与试验。几乎没有时间为1M探测器准备仪器，而探测器在拜科努尔发射场也出现了大量的故障和问题。直到9月20日，无线电通信系统仍然未出厂，电气系统也不能正常工作。不仅如此，几乎没有一个设备能用——电子设备、无线电通信系统和科学仪器不满足所规定的要求，而探测器和8K78运载火箭的接口上也存在问题。在进行火星飞掠模拟飞行序列测试时，FTU成像系统居然发生了火灾，由于质量限制和安全原因，决定取消整个成像系统。9月27日最佳窗口过去后，每天8K78闪电号允许的发射质量都在减少。虽然成像系统取消延长了窗口，随后为了给Blok L组级的试验仪器留下余量，紫外光谱仪和红外光谱仪也被取消，整个KDU-414火箭发动机和推进系统也都被去除，这样航天器将失去轨道修正能力。
新的8K78运载火箭首次完全体飞行就将发射第一个1M火星探测器，同时进行新火箭和火星探测器展示了科罗廖夫团队不畏艰难的顽强精神。9月初在初步讨论发射日期时，一位航天器工程师说：“忘掉无线电设备和所有的火星问题吧，第一次我们是飞不出西伯利亚的！”他这句话说对了。
10月8日，8K78首飞箭及1M一号（西方编号Mars-1960A）探测器运抵了拜科努尔LC-1/5，火箭编号L1-4M，在10月10日发射窗口接近关闭时成功发射升空。但是航天器未能成功进入绕地轨道。火箭于协调世界时14时27分49秒发射升空，但是发动机点火强大的冲击损坏了电子设备，导致设备出现共振，损坏了陀螺仪。起飞309秒，大约是RD-0110工作10秒后，火箭俯仰超出了阈值，随后发动机关机，火箭坠毁在了西伯利亚东部。按照窗口时，1961年5月13日1M一号探测器将飞掠火星。
协调世界时1960年10月14日13时51分03秒，L1-5M号8K78运载火箭成功点火起飞，携带着1M二号（西方编号Mars-1960B）发射升空。起飞290s后，第二级火箭分离，但是因为Blok I组级内泄露的液氧冻住了煤油，RD-0110发动机未能点火。航天器和火箭一起坠毁。而按照窗口时，1961年5月15日1M二号探测器将飞掠火星。
第三个1M航天器未能在窗口关闭前发射，于是计划被取消。在探测器发射期间，玉米晓夫正在纽约参加联合国大会，根据一位从苏联阵营叛变的人员会议，赫鲁晓夫原计划在那次大会上展示他们的“航天器模型”，据推测应该就是1M火星探测器的模型。在第一次失败时，他并没有大肆炫耀他的模型，而是在10月12日脱下皮鞋用力在联合国大会的桌子上敲击。
苏联人并没有公布这两次失败，但是3条苏联海上测量船表明苏联近期有发射，而在8K78运载火箭发射时，美国部署在土耳其的电子监听站监测到火箭发射的信号，而早期苏联航天发射的遥测信号也未加密。一架侦察机也对火箭起飞进行了监听。CIA早在前苏联的资料解密三十年前就知道这两次发射。
10天后，R-16弹道导弹的大爆炸将165名苏联运载火箭专家炸成了飞灰。
1961年，在1M火星探测器和1VA金星探测器任务失败的情况下，科罗廖夫决定研制第二代深空探测器。1961年春天，Product-2MV（产品-2MV）航天器开始研发。2MV意味着苏联人企求使用一个相同的平台同时进行火星和金星的任务。带有一个标准化多用途轨道飞行器，而可以根据不同的任务需求携带仪器设备或者进入探测器。
2MV航天器主体直径1.1m，长度3.3m，其中轨道航天器长2.7m，可以选配60cm长的仪器舱或者90cm长的球形进入探测器。热辐射计打开后航天器翼展4m。安装1台KDU-414火箭发动机，可工作40s。完全态的火星任务2MV重达1097kg，包括1个305kg的火星进入器。飞掠任务的2MV则重890kg左右。
2MV航天器具备新的深空通信系统，高增益天线使用了1组1.7m抛物面天线，工作在5.84GHz/5cm、3691.4MHz/8cm（2MV-3为3691.2MHz，2MV-4为3691.04MHz）和922.76MHz/32cm（2MV-3为922.8MHz，2MV-4为922.76MHz）。增加了1组单独的全向天线和米波发射机，作为厘米波通信的补充。散热器上安装的半全向天线，工作在768.96MHz/39cm，也可以在地球附近以922.76MHz/32cm工作，并且在紧急情况下发射更低码率的信号。在地球附近，1.6m波段备用设备会以115MHz（一说101.9MHz）和183.6MHz的频率工作。高增益天线的位置固定，方向为太阳能板的反方向，于是2MV添加了地球敏感器来保证高增益天线指向。磁带记录器用于在HGA不指向地球时记录数据.探测器配置有2.6㎡的太阳能电池阵。发电功率2.6kW，备用镍镉电池容量为42A·h。
2MV探测器安装了一个石英圆顶来供太阳敏感器，地球敏感器和星敏感器定向。2MV采取了元件对元件的冗余方式。在巡航期间探测器以低精度三轴稳定工作，只保证帆板指向太阳。而为了避免Venera-1的情况，在巡航段将始终打开接收机。在数据传输阶段，探测器会使用地球敏感器确定指向，使高增益天线指向地球。中段机动时，航天器将以太阳和老人星定向，并且使用陀螺仪调整指向，在达到预定的加速度积分值时关闭发动机完成轨道修正。
2MV探测器使用了一套二元热控系统，在太阳能板两侧安装两个独立的半球形散热器。含有不同液体的、独立的加热管和冷却管通过热交换器与内部的氮气循环装置连接。航天器的外面还覆盖着一层金属箔和玻璃纤维布隔热垫层。
在2MV运载进入器时，航天器会根据地面指令，启动定时器。在航天器接近大气层时火工品引爆，进入器被弹簧弹出。进入器携带有一层烧蚀材料外壳，配置有一个三级降落伞、一组银锌电池、一个直接向地球传输信号的，携带有半定向天线分米波遥测系统，使用气体循环制冷。进入器被浸泡在60%的EO和40%的四溴化碳内，用于杀菌消毒，防止进入器污染火星表面。
2MV火星航天器携带了14种仪器，其中轨道航天器上7种，进入器上4种，飞掠探测器仪器舱上3种。虽然在最后的发射前大部分仪器都被移走，目前尚不清楚有多少仪器发射升空，但是可以确定的是Mapc-1上携带有磁力计和FTU成像系统。
携带在2MV轨道航天器上的设备（7种）
·用于测量火星磁场的磁力计
·用于探测辐射带和宇宙射线的闪烁计数器
·气体放电盖革计数器
·切伦科夫探测器
·用于探测电子、离子和低能质子的离子阱
·用于探测150-1500m宇宙无线电波的无线电设备
·微流星体探测器
磁力计安装在一条2.4m长的吊臂上，而微流星体探测器总面积为1.5㎡。
携带在2MV进入器上的设备（4种）
·温度、压力和密度传感器
·化学气体分析仪
·用于测量表面辐射的伽马射线探测器
·汞水平波运动探测器
携带在2MV飞掠仪器舱内的设备（3种）
·用于拍摄火星表面的FTU传真成像系统
·用于探测臭氧的紫外光谱仪
·用于研究大气热平衡的红外光谱仪
成像系统重32kg，被安装在增压舱内，采用35mm及750mm镜头（应该已经有Vega和Zufar之分），使用70mm胶片，可拍摄112幅图像，并且能够交替拍摄1×1的方形图像和3×1的矩形图像。以68，720或1440线的速率对图像进行扫描或二次扫描，并储存在磁带上。紫外光谱仪会沿着图像周边将光谱投射到胶片上。成像系统带有专用的6GHz发射器，安装在仪器舱内。该发射器可以发射25kW的短脉冲，平均功率50W。传输速率为90像素每秒。传输1幅1440×1440的高分辨率图像需要6小时。像素有可能模拟脉冲位置编码而非二进制值。红外光谱仪位于仪器舱外部，并且与摄像机位于同一条瞄准线上。
2MV火星探测器的发射属实生草。任务仍然更偏向于进行Blok L组级的飞行试验，而把火星飞掠作为第二目标。协调世界时1962年10月24日17时55分04秒，8K78 T103-15号运载火箭将2MV-4 3#航天器发射升空。前三级工作正常，但是由于11D33发动机装配过程中的故障或者是涡轮泵过热，在Blok L组级点火16或者17秒后煤油泵被卡住，导致航天器爆炸。碎片散成至少24片，将经过阿拉斯加、加拿大和美国上空。此时正处于古巴导弹危机最严重最紧张的时刻，因此在观测到碎片后，美国人的第一反应是苏联人发动了弹道导弹攻击。幸亏在极短的时间内计算机对轨迹进行了计算，发现坠落的物体并无敌意。航天器被命名为Sputnik-22（卫星22号）。
10月25日，2MV-4 4#探测器运抵了拜科努尔发射场，但是随后不久就接到通知，从发射台上撤下8K78运载火箭，将2枚携带有核弹头的R-7弹道导弹移上发射台。幸亏在27号得到解除通知时，8K78火箭还没运走。11月1日，在发射前5小时，苏联人在塞米巴拉金斯克核武器基地引爆了1枚30万吨TNT当量的核弹，用于研究核爆炸产生的电磁脉冲对电子设备和无线设备的影响。核爆炸引发了发射场西部小镇的大停电，但是发射仍然正常进行。协调世界时1962年11月1日16时14分16秒，8K78 T103-16号运载火箭发射升空，成功将893.5kg的航天器送入地火转移轨道。这是人类首个奔赴火星的探测器，随后命名为Mapc-1（火星1号）航天器，也称为Sputnik-23（卫星23号）。这次发射差点引发了严重的国家冲突。
协调世界时1962年11月4日15时35分15秒，8K78 T103-16号火箭发射了2MV-3 1#火星探测器，前三级和Blok L组级第一次关机正常，但是发射段剧烈的震动摧毁了点火装置和熔丝，使得11D33发动机在二次启动后33s关机。美国人探测到5个碎片，而航天器被认为已经在1963年1月19日再入。这一次发射的航天器被命名为Sputnik-24（卫星24号）。
8K78火箭将Mapc-1送入了近日点约1.4亿千米，远日点约2.5亿千米的日心轨道。发射后仅24小时，探测器就抵达了地月距离的一半，西方人认为这次任务可能类似月球3号，是一次绕月任务，或者是前往火星。因为探测器的发射位于金牛座流星雨极大值附近，在发射后今天探测器记录到数次微流星体撞击，并且测量了地球附近的电离层电子密度。在离开地球的引力圈后，探测器获得了关于太阳风、行星际磁场以及宇宙射线的数据，发现了银河宇宙射线的通量比1959年所测数值高出1倍以上。
然而，Mapc-1在发射后不久就发现姿态控制系统存在泄露，这意味着航天器迟早会失去控制。11月7日，探测器进入自旋稳定，速度为0.1rpm，这样虽然可以避免一次轨道修正，但是也意味着成像系统无法进入稳定拍摄姿态。12月13日起，测控周期调整为5天1次。1963年3月，Mapc-1超过了Mariner-2，在超过1亿千米的距离上发回了信号。3月21日，航天器在距地球1.06亿千米，距太阳1.24亿千米时失联。航天器在6月9日以193000km的距离飞掠火星，远大于发射后宣传的1000-10000km。一项调查发现了探测器上存在松香，这是姿态控制系统某些阀门生产的多余物，可能是它导致阀门失去密封能力，使得气体泄露。
在1960年至1962年，1M和1V的4次发射只有1VA 2#，也就是Venera-1航天器成功发射，但是随后它就出现了故障。1962年的2MV航天器中6个有5个发射失败，唯一成功发射的Mapc-1也遭到了和Venera-1一样的下场。而虽然对岸的美国也处在失败之中，但成功发射的Mariner-2给予了苏联沉重的打击。在此之下，科罗廖夫决定抓住1964年的窗口研制新的3MV航天器，并且对充满故障，可靠性严重不足的8K78运载火箭进行改进验证。
3MV航天器和2MV类似，但是使用了改进的电子设备，并且研制了3MV-1A和3MV-4A试验器，用于模拟飞往火星和金星的任务。它们不携带火星任务的全套仪器，只用于工程测试和在日心轨道上探测等。
3MV长3.6m，略长于2MV，采用相同的设计。有一些小修改，添加了一个防止散射光对光学传感器产生影响的黑色遮光罩。KDU-414推进系统上安装了一个热护罩。推进系统长约1m，姿态控制推进器添加了冗余件，高增益天线直径增加到2.3m，并且安装了2台磁带记录器。太阳帆板为112A·h的镍镉电池组以14V的直流电源充电。探测器以传统的5.84GHz/5cm，以及和2MV略有不同的922.763MHz/32cm及768.969MHz/39cm波段发射机。备份发射机使用8cm波长，频率未知，可能也是3691MHz左右。用于图像及数据的备份传输。并且在指令接收机和电子设备舱出现故障的情况下作为控制航天器的电子设备备份形式。这些探测器还携带了6个离子发动机，用于进行航天器姿态控制试验。
3MV-1A发射质量为800kg，3MV-4 2#为950kg，3MV-4 3#为959kg。
3MV火星航天器都携带了8种仪器，但3MV-1A的仪器和3MV-4的不同。
3MV-1A携带的8项仪器：
·FTU传真成像系统
·辐射探测器
·带电粒子探测器
·磁力计
·微流星体探测器
·莱曼-α原子氢探测器
·射电望远镜
·紫外线和X射线太阳辐射实验仪器
3MV-4航天器携带的8项仪器：
·FTU传真成像系统
·285-355nm紫外光谱仪
·用于探测臭氧的190-275nm紫外光谱仪
·用于搜寻有机化合物的3-4mm红外光谱仪
·用于探测火星辐射带的气体放电和闪烁计数器
·带电粒子探测器
·磁力计
·微流星体探测器
3MV的FTU得到了重大改进，质量减少为6.5kg，使用25.4mm胶片，能够存储40幅图像。3MV-4上携带了2部这种摄像机，分别带有35mm和750mm镜头，曝光时间为1/100s和1/300s两种，每2.25min就能完成1幅图像的拍摄和显影。25mm的胶片可重复倒片，并以每幅550或1100线进行扫描。成像数据被记录在红外光谱仪内的磁带记录器上。在高质量模式下，数据发送速度为550像素/秒，也就是说每行2s，发送1幅分辨率为1100×1100的图像总共需要34min。如有必要可以以更低的速率使用8cm波发送。检测臭氧的紫外光谱仪安装在舱外，能生成数字化数据。红外光谱仪携带有用于提供参考信号的小型可见光波长光度计，所有光学仪器都带有瞄准装置。
协调世界时1963年11月11日06时23分35秒，8K78 G15000-017号运载火箭成功发射了3MV-1A 1#航天器。前三级工作正常，但在Blok I组级与Blok L组级分离时，L组级姿态出现问题，飞行1330s后遥测中断，航天器被命名为Kosmos-21（宇宙21号）。3天后再入。
协调世界时1964年11月30日15时12分，8K78 G15000-029号运载火箭成功发射了3MV-4 2#航天器。但是另一个航天器没有赶上窗口内发射。3MV-4 2#计划以1500km飞掠火星（另有资料表示为4000-10000km），但是由于一块太阳能帆板没有打开，另一片太阳能帆板在KDU-414几次点火后终于被震松而展开，但是已经无法执行首次轨道修正了，况且热控系统也未能正常工作。苏联人意识到此次任务无法像刚发射时宣传的目标“飞掠火星”那样实现，于是改口说航天器是在火星附近开展试验，并将其命名为Zond-2（探测号2号）。
1964年12月18日，离子发动机完成了试验。此后苏联人在1965年的1月、2月3日、2月10日和2月17日试图联系上航天器，但不清楚是否成功，任务在5月5号宣布失败，8月6日，失效的Zond-2在650000km上飞掠了火星。
作为对Zond-2故障的改进试验飞行，3MV-4 3#由8K78 U15000-032号闪电号运载火箭*，于协调世界时1965年7月18日14时38分00秒发射升空。航天器被命名为Zond-3（探测号3号）。任务是飞掠月球并且对成像系统进行测试，随后飞往火星轨道，验证长期轨道飞行的可靠性。发射33小时后，Zond-3号就抵达了月球，使用起成像装置在11570km开始成像，并在最近9219km飞掠月球，总计拍摄28张图像。在7月29日距离地球1.25Mkm的距离上传送了数据。9月16日，50m/s的中段修正完成，航天器距离地球已经超过了12.5Mkm。图像在2.2Mkm和31.5Mkm的距离上进行了再次发送，用于检测通信系统的功能。最后一次通信时Zond-3已经接近火星轨道，时间是1966年3月3日，距离为153.5Mkm。
从1956年科罗廖夫开始规划火星探测，到1966年Zond-3失联。十年时间，苏联发射了8个火星探测器/火星探测器工程试验器，只有1个勉强完成了任务。落后的电子工业和不可靠的8K78运载火箭使得大量的航天器没有离开地球，而即使离开地球的也鲜有成功，这是那个时代必不可少的一个过程，比较可惜的是，开拓这一切的科罗廖夫并没有看到成功，1966年1月14日逝世。而随后，探测器的研制工作从OKB-1研究所转到了拉沃契金设计局，新的计划和宏图正在产生。
*：按照苏联标准，卫星号8K71O为二级火箭，月球号8K72为三级火箭。