Le programme ExoMars est mené par le CNES et l'ESA en coopération avec Roscosmos, et articulé en deux missions qui seront successivement lancées par deux fusées russes Proton.
La mission ExoMars 2016 mettra en orbite autour de Mars un satellite, "Trace Gas Orbiter" (TGO), pour étudier l'atmosphère de Mars et son évolution, et servira de relais de télécommunications vers la Terre pour les atterrisseurs. Le satellite étudiera avec des instruments russes et européens les gaz présents à l'état de traces dans l'atmosphère martienne tels que le méthane, dont on soupçonne une origine bactériologique.
Le satellite larguera un atterrisseur démonstrateur d'entrée atmosphérique et de descente sous parachute, Schiaparelli, équipé de capteurs qui mesureront les performances pendant la descente et lors de l'atterrissage. Sans panneaux solaires, il fonctionnera seulement 4 jours terrestres sur ses batteries propres. Il recueillera des données environnementales.
La mission ExoMars 2018 déposera unaterrisseur russe et un véhicule européen sur Mars. L'atterrisseur de 310 Kg , équipé d'instruments russes et européens prendra des mesures de l'environnement pendant une année martienne - 687 jours terrestres. Il est dédié à l'étude du sol et du proche sous-sol, pouvant forer jusqu'à 2 mètres de profondeur.
Il transportera un ensemble complet d'instruments analytiques dédiés à la recherche en exobiologie et en géochimie, nommée Pasteur. Il parcourra plusieurs kilomètres à la recherche de signes de vie passés ou présents, collectant et analysant des échantillons des échantillons de sol préservés des rayonnements et des oxydants qui détruisent la matière organique. Ce sera la première mission depuis Viking en 1977 qui tentera de détecter des traces de vie, présentes ou passées, sur Mars - toutes les autres missions ne visaient qu'à étudier si les conditions pour la vie étaient remplies sur Mars.
Le véhicule européen emportera des instruments du CNES comme MicrOmega, un spectromètre capable de capturer des images dans le visible et l'infrarouge pour des études minéralogiques des prélèvements; Wisdom, un radar pour étudier le proche sous-sol afin d'en caractériser la structure. La mission est intitulée: "À la recherche des traces d’une vie martienne".
Trois autres instruments à contribution française, MOMA, RLS et CLUPI, sont placés sous la responsabilité d'autres pays membres de l'ESA.
