从科学的角度来看，天问一号火星探测任务必须达到5个目标：
研究火星形貌与地质构造特征，及其演化和成因的研究。为此，该探测将使用来自特征区域的精确数据来分析行星的地形，这些特征区域包括河流的干燥河床、火山、风蚀、两极冰川等。轨道器上的两个摄像机专用于此目标。
研究火星表面土壤特征和地下层的特征，与水冰分布。探测火星土壤种类、风化沉积特征和全球分布，搜寻水冰信息并开展火星土壤剖面分层结构研究。这就是轨道器和火星车上的雷达的作用。
研究火星表面物质组成，开展表面矿物组成分析。分析火星古代湖泊，河流和其他景观中存在的风化的碳酸盐，这些矿物是由地球上过去存在的水引起的，例如赤铁矿，层状硅酸盐，硫酸盐水合物甚至高氯酸盐矿物，以建立与过去火星水的联系。轨道器和火星车上的光谱仪以及多光谱摄像机专用于此目标。
研究火星大气电离层及表面气候与环境特征，开展火星电离层结构和表面天气季节性变化规律研究。以及更广泛的大气研究，无论是在其近太空环境还是在其表面。这是轨道器上的两个粒子探测器以及火星车上气象站的作用。
研究火星的内部结构，其磁场，其地质演化的历史，其质量的内部分布及其引力场。轨道器和火星车上的磁强计以及雷达专用于此目标。
