Pierwsza amerykańska sonda Marsa, pierwsza spośród bliźniaczych sond wysłanych w oknie startowym roku 1964. Przeznaczona do sfotografowania powierzchni Marsa z trajektorii przelotowej.

Start nastąpił 5 listopada 1964 r. o godz. 19:22:05 UT.
Rakieta Atlas Agena D wyniosła sondę na trajektorię międzyplanetarną, jednak w trakcie wynoszenia nie odpadła osłona aerodynamiczna. Wobec niemożności rozłożenia baterii słonecznych i anteny, misja Marinera-3 już w pierwszym dniu zakończyła się fiaskiem.

Budowa i wyposażenie sondy było analogiczne do wysłanego 23 dni później Marinera-4.