水手9号设计为延续进行从水手6号及水手7号的大气研究，并且绘制超过70%火星地表，以之前火星任务都未有的最低高度（1500公里）及最高分辨率（1公里/像素 x 100米/像素）。红外线辐射计用来侦测热源做为火山活动的证据。两个火星的卫星也同时被分析。水手9号最后超越它的设计目标。
水手9号为第一艘环绕地球以外行星的太空船。它携带的仪器酬载与水手6号及7号相似，但因为控制太空船进入火星轨道需要较大的推进系统，它的重量比水手6号及水手7号加起来还重。当水手9号抵达火星时，大气布满了灰尘使地表模糊不清，使得苏联在一个月后到达时的登陆任务没有很成功。
水手9号的电脑因此由地球规划暂停绘制地表直到几个月后沙尘暴停止。总计在轨道上349天，水手9号传送了7,329张照片，涵盖了超过80%的火星地表。
照片揭露了河床、陨石坑、巨大的死火山（如奥林帕斯山，太阳系中最大的已知火山）、峡谷（包括水手谷，超过4,000公里长）、风与水的侵蚀作用及沉淀、锋面、雾以及其它。火星的两个小卫星佛伯斯及帝摩斯也有照相。
截至 2022 年 2 月，水手 9 号的位置未知；它要么仍在轨道上，要么已经在火星大气层中燃烧或坠毁在火星表面。美国宇航局提供了水手 9 号何时可以进入火星大气层的多个日期。
2011 年，美国宇航局预测水手 9 号将在 2022 年左右燃烧或坠入火星。[14]然而，美国宇航局 2018 年对水手 9号任务页面的修订预计水手 9 号将在“2020 年左右的某个时间”坠入火星。[15]在执行任务时，水手 9 号被留在至少 50 年内不会衰减的轨道上，这使得最早进入大气层的日期为 2022 年 10 月。
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