Pēc 167 dienām, 1971. gada 14. novembrī, "Mariner 9" iegāja orbītā ap Marsu, tā kļūstot par pirmo aparātu pasaules vēsturē, kas veiksmīgi iegājis orbītā ap kādu citu planētu.

"Mariner 9" apriņķoja Marsu reizi 12 stundās un regulāri nodibināja sakarus ar Goldstounas tālo sakaru antenu. Marsa virsmas fotografēšanu iztraucēja Marsa putekļu vētra, kas bija sākusies jau 1971. gada 22. septembrī - putekļu vētra izvērtās tik liela, ka vēsturē iegāja kā milzīgākā cilvēku novērotā Marsa putekļu vētra. Vētra bija tik liela, ka "Mariner 9" nespēja izšķirt virsmas detaļas, izņemot augstāko kalnu - Olimpa un Tharsis vulkānu virsotnes. Vētra beidzās decembra sākumā un aparāts varēja sākt Marsa virsmas kartografēšanu. "Mariner 9" ievāca datus par Marsa virsmas uzbūvi un sastāvu, kā arī pētīja dinamisko Marsa atmosfēru. Pirmo reizi tika nofotografēti Marsa pavadoņi Foboss un Deimoss, polārās cepures un Marinera ieleja.

"Mariner 9" ieguva 7329 attēlus, kuri aptvēra visu Marsa virsmu.