Sonda bola primalá, aby mohla niesť zodpovedajúci brzdiaci raketový motor, ktorý by ju naviedol na obežnú dráhu okolo Merkúra na dlhodobý prieskum planéty. Podrobné výpočty však dokázali, že ak by sa navedenie hoci iba na prelet okolo planéty podarilo pripraviť s veľkou presnosťou, sonda by obletela Slnko a minimálne raz by sa k Merkúru vrátila. Pri vypustení iba jednej sondy by sa finančné náklady mohli limitovať hranicou 300 miliónov dolárov (v cenovej úrovni z roku 1984), čo by bolo podstatne menej ako náklady na jediný prelet Marinera 4 okolo Marsu. Bola to veľmi sľubná úvaha.
Za pomerne krátky čas bola pripravená sonda Mariner 10 s hmotnosťou 526 kg. Hlavným problémom bola ochrana proti intenzívnemu slnečnému žiareniu v oblasti obežnej dráhy Merkúra. Preto sa po štarte rozložil akýsi "slnečník", ktorý zatienil sondu pred priamym dopadom slnečného žiarenia a dva panely slnečných batérií boli skonštruované tak, aby na ne žiarenie nedopadalo priamo. Plošina s televíznymi kamerami niesla aj niekoľko spektrometrov a rádiometre na meranie teplôt a na zisťovanie prítomnosti plynov v atmosfére planét. Krátko po štarte, ktorý sa uskutočnil 3. Novembra 1973, boli kamery nasmerované na Mesiac a podarilo sa tak získať jedny z najlepších záberov severných oblastí mesačného povrchu v celej doterajšej histórii výskumov nášho najbližšieho vesmírneho suseda. Vykonali sa dve korekcie dráhy a sonda 5. Februára 1974 preletela vo výške 5785 km nad Venušou. Vôbec po prvý raz sa získali televízne zábery planéty. Namiesto hustého a nič hovoriaceho závoja, ktorý sa dá pozorovať v bežných vlnových dĺžkach, odhalila sonda použitím ultrafialového filtra v mračnách akési pásy. O cirkulácii atmosféry nevedeli vedci takmer nič a na ich veľké prekvapenie nové výskumy odhalili, že horná atmosféra sa okolo planéty otočí raz za štyri pozemské dni (radarové pozorovania už predtým potvrdili, že planéta sama je podstatne lenivejšia, pretože sa okolo vlastnej osi otočí raz za 243 pozemských dní). Vetry ženúce sa rýchlosťou mnohých stoviek kilometrov za hodinu neboli ničím neobvyklým, pozoruhodné však bolo, že ich rýchlosť sa v hustejších spodných vrstvách atmosféry postupne znižovala takmer na nulu. Pri pozorovaní Marinera 10 bola objavená špirálovitá štruktúra mračien.
Gravitačné pole Venuše zmenilo dráhu sondy tak, že mohla preletieť vo vzdialenosti iba 10 000 km od povrchu Merkúra. Vedúcim letu to nestačilo. Preto sa 16. Marca 1974 uskutočnila korekcia dráhy a sonda 29. Marca preletela nad tmavou stranou Merkúra vo výške iba 703 km. Vedci neskrývali nadšenie predovšetkým z 2300 snímok povrchu planéty.