Le Mars Science Laboratory est un rover qui marque une rupture technologique significative. Par rapport aux générations précédentes, comme Spirit et Opportunity, les deux rovers de la mission Mer, il est sensiblement plus grand et plus puissant ce qui lui permet d'embarquer une charge utile hors du commun de sorte que sa capacité d'analyse sera bien plus performante que les Mars Exploration Rover actuellement sur Mars. Initialement prévu en 2009, son lancement a été reporté en 2011.

Bien que supporté par 6 roues, comme les 2 rovers Mer, Curiosity pèse quelque 775 kg. Il sera alimenté par un générateur isotopique ce qui fait de lui le premier engin nucléaire envoyé sur Mars. Il s'agira également de la première mission à viser un atterrissage de précision de dangers de façon à atteindre des sites scientifiques à la fois prometteurs et difficiles à atteindre. La NASA vise une zone d'atterrissage de 20 par 40 km qui sera choisie à partir des images de la caméra Hirise de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter. Pour atterrir, le rover utilisera un système de parachutes et de retro-fusées.

Curiosity doit étudier les habitats potentiels du vivant comme des roches sédimentaires ou des dépôt hydro-thermiques (actifs ou fossilisés). Il étudiera la géochimie et la minéralogie de la zone en détail. Ses données auront également une portée sur divers aspects marquant le point de départ de l'évolution de planètes de type terrestre sur la base d'une analyse effectuée in situ. Il analysera les roches de surface pour comprendre les les processus géologiques qui les ont formés

Pour cela, le rover sera équipé d'un bras lui permettant de ramasser des échantillons du sol pour analyse chimique de façon à découvrir des composés organiques et les conditions environnementales qui pourraient avoir soutenu la vie microbienne maintenant ou dans le passé. A la différence de Phoenix, il ne sera pas capable de creuser le sol. Il sera également équipé d'un laser capable de vaporiser une fine couche de surface d'un rocher de façon à analyser sa composition élémentaire.

Sa charge utile comprend également des instruments capables d'identifier les composés organiques tels que les protéines, les acides aminés et autres acides et bases qui se lient au carbone et sont essentiel à la vie comme nous la concevons. Il doit identifier des dispositifs, tels que les gaz atmosphériques, qui peuvent être associés à l'activité biologique.

Enfin, il doit étudier l'atmosphère martienne et déterminer la distribution et la circulation de l'eau et du dioxyde de carbone sous ses formes solides, liquides et gazeuses.