Mars 1 était une sonde Venera modifiée ayant la forme d'un cylindre de un mètre de diamètre pour 3,3 mètres de long. Avec ses panneaux solaires déployés, la sonde faisait quatre mètres d'envergure. Le cylindre était divisé en deux compartiments. Celui du dessus, de 2,7 mètres, était le module orbital contenant les systèmes de guidage et de propulsion. Celui du dessous était le module d'expérience contenant toute l'instrumentation scientifique.
La communication était assurée par une antenne parabolique à haut gain de 1,7 mètre ainsi que par une antenne omnidirectionnelle et une autre semi-directionnelle.
L'énergie était stockée dans un accumulateur nickel-cadmium de 42 ampères-heure et provenait des deux panneaux solaires qui offraient une surface totale de 2,6 m².
L'instrumentation scientifique comportait un dispositif photographique, un spectrographe et un spectroréflexomètre pour étudier l'atmosphère martienne et détecter la présence de matières organiques, un magnétomètre pour mesurer les champs magnétiques de Mars et du milieu interplanétaire, un compteur de micrométéorites et deux détecteurs de radiations, à décharge gazeuse et à scintillation, pour étudier le rayonnement cosmique.