«Марс-3» запущен 28 мая 1971 года, вместе с АМС «Марс-2» совершил совместный полет и одновременные исследования Марса. Вывод на траекторию полета к Марсу осуществлен с промежуточной орбиты ИСЗ последними ступенями РН. Конструктивно «Марс-3» аналогичен «Марсу-2». На «Марсе-3» находилась аппаратура «Стерео» для проведения совместного советско-французского эксперимента по изучению радиоизлучения Солнца на частоте 169 МГц. Полет КА к Марсу продолжался более 6 месяцев, с «Марсом-3» проведено 159 сеансов радиосвязи, получен большой объем научной информации. 8 июня, 14 ноября и 2 декабря 1971 года проведены коррекции орбиты «Марса-3». Отделение спускаемого аппарата осуществлено 2 декабря в 12 ч 14 мин по московскому времени на расстоянии 50 тыс. км от Марса. Через 15 минут, когда расстояние между орбитальным отсеком и спускаемым аппаратом было не более 1 км, аппарат перешел на траекторию встречи с планетой. Спускаемый аппарат двигался 4,5 ч к Марсу и в 16 ч 44 мин вошел в атмосферу планеты. Спуск в атмосфере до поверхности продолжался немногим более 3 мин. Спускаемый аппарат совершил посадку в южном полушарии Марса в районе с координатами 45° ю.ш. и 158° з.д. На борту аппарата был установлен вымпел с изображением Государственного герба СССР. Орбитальный отсек «Марса-3» после отделения спускаемого аппарата двигался по траектории, проходящей на расстоянии 1500 км от поверхности Марса. ТДУ обеспечила переход ее на орбиту спутника Марса с периодом обращения ~ 12 сут 19 ч. 2 декабря в 16 ч 50 мин 35 с началась передача видеосигнала с поверхности планеты. Сигнал был принят приемными устройствами орбитального отсека и в сеансах связи 2 – 5 декабря передан на Землю.
Орбитальный отсек «Марса-3» совершил 20 оборотов вокруг планеты. «Марс-3» проводил те же исследования, что и «Марс-2».

Общее описание автоматической межпланетной станции “Марс”