2001 Mars Odyssey é uma sonda espacial não tripulada norte-americana, lançada pela NASA e gerida pelo Jet Propulsion Laboratory, com a finalidade de estudar o planeta Marte.

Foi lançada em 7 de Abril de 2001 a bordo de um foguete Delta II a partir da Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral.

Após cerca de 200 dias de vôo interplanetário a Mars Odyssey inicia a órbita de inserção em Marte através do auxílio dos seus propulsores (com uma queima de 20 minutos) e através da técnica de travagem aerodinâmica (durante 90 dias) coloca-se na sua orbita final, de 2 horas, em Abril de 2002.

A missão primária da Mars Odyssey é a de realizar um levantamento global do clima marciano e possível existência de água no presente ou passado por forma a avaliar a possibilidade da existência de vida no planeta. A missão primária da missão terminou em Agosto de 2004 e encontra-se desde então a realizar a missão secundária (ou estendida) que pretende auxiliar futuras missões não robóticas a Marte.

Após a conclusão, com sucesso, da sua missão primária, a 2001 Mars Odyssey tem continuado a cumprir objetivos ambiciosos, nomeadamente no apoio à missão Mars Exploration Rovers na superfície do planeta (os dois veículos Spirit e Opportunity) realizando a retransmissão das comunicações dessa missão para a Terra e vice-versa. Realiza, também, um reconhecimento prévio para preparação da chegada da missão Mars Reconaissance Orbiter. Entretanto, a sonda demonstrou a existência de fortes evidências de presença de água na superfície (ou mesmo por debaixo da superfície) e realizou estudos importantes sobre as estações marcianas.

A sonda teve uma alteração de nome antes do seu lançamento devido às missões Mars Climate Orbiter e Mars Polar Lander terem falhado os seus objetivos, tendo obtido o seu nome atual em homenagem à novela 2001: Uma Odisséia no Espaço, de Arthur C. Clarke.