Mars Sample Return, est un programme commun de la NASA et de l'Agence spatiale européenne visant à ramener 500 grammes d'échantillons martiens sur Terre.
Il s'agit d'un orbiteur qui fera la liaison Terre-Mars, lors d'une opposition pour un temps de voyage réduit (l'opposition est une situation dans laquelle la Terre et Mars sont les plus proches).
Arrivé en orbite martienne l'orbiteur larguera un atterrisseur qui se posera à la surface de Mars, il y collectera des échantillons soit à l'aide d'une pelle au bout d'un bras mécanique, soit à l'aide d'un robot qui ramènera les échantillons à l'atterrisseur. Ensuite une mini fusée décollera de l'atterrisseur, rapportera les échantillons en orbite, ceux-ci seront capturés à l'aide d'un « filet à papillon » par l'orbiteur.
Celui-ci fera le trajet inverse, se positionnera en orbite terrestre et larguera les échantillons qui reviendront sur Terre dans une capsule protégée pour la rentrée atmosphérique.
Il est prévu que les échantillons soient conditionnés dans un laboratoire de type P4 (cinq niveaux de sécurité maximale). Les échantillons seront dans un premiers temps divisés en deux parties, la première sera scellée pour une période de 20 ou 30 ans le temps que les générations futures acquièrent une avancée technologique suffisamment importante. La deuxième partie sera d'abord étudiée par des robots dans un environnement reproduisant les conditions martiennes.
On signale en 2006 que le programme d'un retour d'échantillons martiens est entre autres victime de la redistribution des budgets de la NASA en 2006.
Alors qu'en 2004, on indique que la mission pourrait commencer en 2011, en janvier 2009, le site de l'ESA indique que la mission pourrait être lancée en 2020-2022.