L'orbiteur hérite de nombreuses caractéristiques de celui de la mission Mars Climate Orbiter, lancée précédemment le 11 décembre 1998. Il est conçu pour orbiter la planète Mars durant trois ans en effectuant une analyse minéralogique approfondie de la surface martienne ainsi que des mesures des radiations reçues en orbite. Sur une période de 5 ans, l'orbiteur doit aussi relayer les communications UHF entre les atterrisseurs en surface et les missions suivantes sur Mars.
Suite à la perte des deux sondes Mars Climate Orbiter et Mars Polar Lander en 1999, la stratégie menée par la NASA depuis plusieurs années avec l'approche dite « faster, better, cheaper » (plus vite, mieux, moins cher) est remise en cause, notamment en ce qui concerne les deux sondes prévues en 2001. En conséquence la mission Mars Surveyor Lander 2001 est annulée en mai 2000 mais la décision est prise de conserver la seconde mission avec l'orbiteur. La mission Mars Surveyor Orbiter 2001 est cependant rebaptisée 2001 Mars Odyssey et la sonde est lancée avec succès le 7 avril 2001 qui atteint Mars le 24 octobre 2001.