19:00 UTC) zbliżenie do Marsa: 24 października 2001 (02:26 UTC) eliptyczna orbita przechwytująca oraz hamowanie atmosferyczne, od 24 października 2001 do 11 stycznia 2002: 272 × 26 818 km; 93,42° (peryareum nad północnym biegunem Marsa) korygowanie orbity, od 11 do 30 stycznia 2002: 201 × 500 km (w styczniu 2002) polarna orbita docelowa, 30 stycznia 2002: 400 × 400 km, 2 h; 90°
Statek dotarł do Marsa 24 października 2001. Orbitę przechwytującą osiągnął odpalając główny silnik na 19,7 min. Następnie poprzez regularne, okresowe wchodzenie w wyższe partie atmosfery Marsa, sonda wyhamowywała i zacieśniała orbitę zbliżając ją coraz bardziej do kołowej. Manewr hamowania atmosferycznego pozwolił na zaoszczędzenie około 200 kg paliwa. Główna misja sondy trwała 917 dni (do lipca 2004). Obecnie 2001 Mars Odyssey wykonuje misję rozszerzoną, w tym służy za istotny element komunikacji między Ziemią a łazikami działającymi na powierzchni planety. Sonda transmitowała ok. 85% wszystkich danych nadsyłanych przez łaziki MER.
Misja 2001 Mars Odyssey otrzymała również (jako jedyna w historii) własną oficjalną muzykę towarzyszącą.