2020年7月23日，我国首次自主火星探测任务“天问一号”探测器在文昌航天发射场搭载长征五号遥四运载火箭成功发射。
火星环绕器由中国航天科技集团八院抓总研制。自发射以来，环绕器经历了地火转移段、制动捕获段、环火飞行段等飞行过程，成功完成火星制动捕获，完成了“绕、着、巡”三大目标中环绕探测目标。此后，环绕器成功释放着陆巡视器并提供中继服务，为着陆、巡视探测目标的顺利实现奠定了坚实基础。
地火转移段：数次变轨成功到达火星
环绕器在地火转移期间，完成了地月成像、四次中途修正、深空自拍、深空机动，在抵达火星前利用高分相机对火星进行了拍摄。
地月成像：2020年7月27日，环绕器在飞离地球约120万公里处回望地球，利用光学导航敏感器对地球、月球成像，获取了清晰地月合影。在这幅黑白合影图像中，地球与月球一大一小，均呈新月状，在茫茫宇宙中交相辉映。
四次中途修正：2020年8月2日7时、2020年9月20日23时、2020年10月28日22时、2021年2月5日20时，环绕器完成了四次中途轨道修正，对3000N发动机及120N、25N推力器的在轨性能、工作模式进行了全面验证。
深空自拍：2020年10月1日，中国国家航天局发布了天问一号探测器飞行图像，图上的五星红旗光彩夺目，呈现出鲜艳的中国红，这是我国探测器采用分离测量传感器完成首次深空“自拍”。
深空机动：2020年10月09日23时，探测器3000N发动机开机工作近500s，顺利完成深空机动。
首幅火星图像：2021年2月5日，国家航天局发布了天问一号在距离火星约220万公里处，获取的首幅火星图像。本次成像采用环绕器高分辨率相机的黑白成像模式。
制动捕获段：精准刹车捕获火星
2021年2月10日19时52分，天问一号探测器实施近火制动，3000N发动机开机工作约15分钟，探测器顺利进入近火点高度约400公里，远火点高度180000公里，周期约10天，倾角约10度的大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标，环绕火星获得成功。
2021年2月12日，中国国家航天局发布天问一号制动捕获过程动态影像，火星大气层及表面形貌清晰可见。
环火飞行段：为火星着陆保驾护航
环火飞行段主要完成停泊轨道调整、降轨进入、中继通信及科学探测。
停泊轨道调整：2021年2月15日17时，天问一号探测器运行至远火点，实施远火点轨道机动，3000N发动机点火工作，将环火轨道从倾角10度的大椭圆轨道调整为火星极轨大椭圆轨道（轨道倾角约86度），并将近火点高度调整至约280公里。2021年2月20日20时，探测器实施第二次近火制动，进入周期约为3.5天的停泊调相轨道。2021年2月24日6时，探测器实施第三次近火制动，进入近火点高度280公里，远火点高度57000公里，周期为49.2小时（约2个火星日）的停泊轨道。在停泊轨道，环绕器利用中分相机、高分相机等载荷设备对火星南北极和预定着陆区进行详查，为着陆巡视器的安全着陆做好准备工作。
降轨进入：2021年5月15日，在释放着陆巡视器当圈的近火点前约6个小时，环绕器进行降轨机动，降轨完成后建立两器分离姿态，经地面判断允许后，释放着陆巡视器。分离结束后，环绕器进行升轨机动，将轨道拉起返回到停泊轨道，为着陆巡视器建立实时中继通信链路。着陆巡视器进行火星大气进入段的飞行。
中继通信：环绕器在停泊轨道上运行1圈后到达近火点，进行第四次近火制动，进入中继轨道，执行与着陆巡视器的中继通信任务，为地面和着陆巡视器搭建沟通的桥梁，中继轨道运行约3个月。
科学探测：环绕器完成中继任务后，在近火点进行第五次制动降轨，进入使命轨道，利用环绕器上搭载的7种有效载荷对火星表面及其次表层开展科学探测，完成火星全球遥感探测任务。