28 мая 1971 года в 19:26 по московскому времени с космодрома Байконур стартовала ракета-носитель «Протон-К» с автоматической межпланетной станцией третьего поколения «Марс-3».
Основу орбитального отсека АМС, разработанной в НПО им. Лавочкина, составлял блок баков главной двигательной установки цилиндрической формы. К нему были присоединены солнечные батареи, параболическая остронаправленная антенна, радиаторы, спускаемый аппарат и приборный отсек.
Посадочный модуль (спускаемый аппарат) представлял собой сферу, закрытую коническим аэродинамическим щитком. Сверху на модуль крепился тороидальный приборно-парашютный отсек. Он содержал в себе сам парашют, а также приборы, необходимые для обеспечения увода, стабилизации, осуществления схода с околомарсианской орбиты, торможения и мягкой посадки. В состав посадочного модуля входил марсоход ПрОП-М.
Через пять месяцев АМС добралась до Марса и 2 декабря 1971 года на поверхность красной планеты впервые в истории была осуществлена мягкая посадка.
В течение 1,5 минут аппарат готовился к работе, а затем начал передачу панорамы окружающей поверхности, но через 14,5 секунд трансляция прекратилась. Посадочный модуль «Марс-3» передал только первые 79 строк фототелеметрического сигнала, на полученном изображении не удалось выделить никаких четких деталей. Тем не менее некоторые ученые различили на изображении линию горизонта, приобретающую большую явность после контрастной обработки изображения. То же самое повторилось со вторым телефотометром.
В итоге были выдвинуты несколько гипотез о причинах внезапного прекращения сигнала с поверхности: коронный разряд в антеннах передатчика, повреждение аккумуляторной батареи и др.
Орбитальный модуль продолжал исследование Марса с орбиты до исчерпания азота в системе ориентации и стабилизации 23 августа 1972 года.
