2001 Mars Odyssey galvenie zinātniskie instrumenti ir:
THEMIS (Thermal Emission Imaging System) - kamera attēlu uzņemšanai redzamajā un infrasarkanajā spektrā.
GRS (Gamma Ray Spectrometer). Tas satāv no paša gamma spektrometra, augsto enerģiju neitronu detektora HEND (izgatavots Krievijā) un neitronu spektrometra NS. Paredzēts ķīmisko elementu sadalījuma, galvenokārt ūdens daudzuma, noteikšanai uz Marsa virsmas un nelielā dziļumā.
MARIE (Mars Radiation Environment Experiment) - paredzēts radiācijas mērīšanai laidojuma laikā uz planētu un Marsa orbītā, lai novērtētu iespējamās apstarošanas dozas cilvēkam.