Už počas 60. rokov vytvorili špecialisti NASA predstavu o "veľkej ceste" k vonkajším planétam s využitím vzájomne výhodného postavenia jednotlivých planét na sklonku 70. rokov, keď bolo možné navyše využiť gravitáciu jednotlivých planét na urýchlenie a navedenie sondy do ďalšej etapy cesty. Výpočty ukázali, že takáto príležitosť sa naskytne až roku 2155! Ibaže nadšenie verejnosti z kozmického programu sa začalo vytrácať a nastával súmrak rozpočtu NASA, takže v roku 1972 pôvodne nákladný projekt "veľkej cesty" veľmi drasticky zoškrtávali. Pôvodný plán nahradil program Voyager,ktorý bol lacnejší, ale nakoniec dosiahol väčšinu cieľou "veľkej cesty" Ešte predtým, ako sa mal Voyager vydať za neznámym nebezpečenstvom, skrývajúcich sa v páse asteroidov - za obežnú dráhu Marsu, rozhodlo vedenie NASA pripraviť na štart menšiu a hlavne lacnejšiu sondu Pioneer. Na rozdiel od sond Mariner a Voyager, ktoré boli technické zložité, stabilizované okolo všetkých troch osí a na špeciálnych plošinách niesli množstvo vedeckých prístrojov, nové sondy Pioneer boli oveľa jednoduchšie, stabilizované iba rotáciou a niesli iba pevne upevnené vedecké prístroje. Hmotnosť sond sa podarilo udržať na 270 kg, čo umožnilo použiť nosnú raketu Atlas Centaur, posilnenú tretím stupňom na pevné palivo namiesto výkonnejšej, no aj nepomerne drahšej rakety Titan IIIE Centaur.Za obežnou dráhou Marsu je slnečný svit prislabý, aby tu ako zdroj energie mohli účinne slúžiť slnečné batérie. Preto sondu Pioneer (poradové číslo 10 a 11) vybavili štyrmi rádioizotopovými generátormi SNAP 19 (maximálny výkon 155 W, po piatich rokoch činnosti asi 100 W), pracujúcimi s plutóniom. Predpokladané obrovské vzdialenosti si vyžiadali aj inštaláciu veľkej parabolickej antény s priemerom 2,7 m, používanej na prenos rádiových signálov z vysielača s výkonom 8 W. Všetka elektronika, počítač a riadiace systémy sa nachádzali v šesťbokej kapsuli, v ktorej bolo aj 11 vedeckých prístrojov.Väčšina z nich bola určená na zvyčajné meranie kozmického žiarenia, kozmického prachu a magnetických polí. Sonda tohto typu bola primalá na to, aby mohla niesť pomerne ťažkú snímkovaciu televíznu kameru, preto odborníci na ňu umiestnili aspoň špeciálny zobrazovací fotopolarimeter, ktorý mohol snímať obraz planéty v pásoch, podľa rotácie sondy rýchlosťou asi 5 otáčok za minútu.