Après plusieurs reports, la fusée Atlas V a décollé le 12 août 2005 à 13h43 (heure française) du pas de tir 41 de Cap Canaveral. C'est la toute première mission interplanétaire pour ce nouveau modèle de fusée.

Mars Reconnaissance Orbiter a établi le contact radio avec les contrôleurs 61 minutes après le décollage et 4 minutes après la séparation du dernier étage. Quatorze minutes après la séparation, la sonde a déployé ses panneaux solaires. Elle a ainsi pu recharger ses batteries et peut maintenant être considérée comme complètement opérationnelle.

Le jour du lancement Mars était à environ 115 millions de kilomètres de la Terre, mais la sonde devra parcourir 4 fois cette distance pour intercepter la trajectoire de Mars le 10 mars 2006. Durant la croisière, l'équipe de contrôleurs procédera à de nombreuses vérifications et calibrations des instruments scientifiques ainsi qu'à quelques corrections de trajectoires.

Le jour d'arrivée, MRO allumera ses moteurs pour freiner et se laisser capturer par la gravité martienne sur une orbite très allongée. L'orbite de travail ne sera atteinte qu'en novembre 2006 par le passage répété dans les hautes couches de l'atmosphère. Cette technique d'aérofreinage, inaugurée par la sonde Mars Global Surveyor, permet d'économiser le carburant nécessaire à une mise sur orbite par moteurs-fusées et permet ainsi d'augmenter la charge utile.

Le lancement était à l'origine prévu le 10 août, mais des problèmes de gyroscope et de logiciel ont nécessité un report de 2 jours.

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