Cette mission a étudié l'ensemble de la surface martienne, l'atmosphère et la structure interne de la planète et nous a renvoyé plus de données sur Mars que toutes les autres missions réunies.
Parmi les découvertes importantes, Mars Global Surveyor a photographié des ravins et des écoulements de débris qui suggèrent qu'il puisse y avoir des sources d'eau liquide, comparables à un aquifère à la surface ou proche de la surface. Les formations similaires sur Terre sont formées par de l'eau courante mais sur Mars la température est normalement trop froide et l'atmosphère trop ténue pour maintenir de l'eau à l'état liquide. Néanmoins, certains scientifiques supposent que sur Mars, de l'eau peut parfois jaillir du sous-sol, éroder des rigoles et des canaux et former des mares avant de geler ou de s'évaporer.
Les résultats du magnétomètre montrent que le champ magnétique martien n'est pas globalement généré par le noyau de la planète mais par des zones localisées dans la croûte. De nouvelles données de température et les gros-plans de Phobos montrent que la surface de ce satellite est composée de débris pulvérulents sur une épaisseur d'au moins un mètre, résultat de millions d'années de bombardements météoritiques.
L'altimètre-laser a permis aux scientifiques d'obtenir les premières images en trois dimensions de la calotte de glace du pôle nord martien.