Muốn bay tới Sao Hỏa, ta phải tính tới nơi Sao Hỏa sẽ ở khi con tàu đến, chứ không phải nơi nó đang ở lúc phóng. Trong nhiều tháng của hành trình, cả Trái Đất và Sao Hỏa vẫn tiếp tục chuyển động quanh Mặt Trời; ngay từ khi rời Trái Đất, con tàu cũng đã mang theo chuyển động quanh Mặt Trời của Trái Đất. Vì thế, người thiết kế nhiệm vụ phải chọn thời điểm phóng và đường bay sao cho con tàu tới đúng điểm trên quỹ đạo của Sao Hỏa vào lúc hành tinh cũng đi tới đó. Đây là lý do những chuyến bay liên hành tinh chỉ có những khoảng thời gian phóng thuận lợi nhất định.

Vào quỹ đạo quanh Trái Đất, bước đầu của chuyến bay, không có nghĩa là đã thoát khỏi hấp dẫn. Một vệ tinh vẫn đang rơi về phía Trái Đất, nhưng nó chuyển động ngang nhanh đến mức bề mặt cong của Trái Đất liên tục xa dần bên dưới, nên nó cứ rơi mà không bao giờ chạm tới. Vì thế, bay lên cao chưa đủ để vào quỹ đạo. Con tàu còn phải đạt được vận tốc và hướng chuyển động thích hợp.

Khi đã ở trên quỹ đạo, con tàu không nhất thiết phải bật động cơ liên tục để tiếp tục hành trình. Một lần đốt động cơ trong thời gian ngắn có thể đặt nó lên một quỹ đạo mới; sau đó con tàu gần như chỉ còn chịu hấp dẫn và đi theo quỹ đạo ấy trong nhiều ngày hoặc nhiều tháng. Thực hiện lần đốt ấy sớm hơn, muộn hơn hoặc theo một hướng khác sẽ dẫn tới một đường bay khác. Trong du hành vũ trụ, động cơ mạnh là chưa đủ: điều quyết định con tàu sẽ đi tới đâu là thay đổi vận tốc bao nhiêu, vào lúc nào và theo hướng nào.

Đôi khi tàu vũ trụ còn dùng hấp dẫn của một hành tinh đang chuyển động để đổi quỹ đạo. Khi bay qua theo một quỹ đạo đã được tính trước, hấp dẫn của hành tinh làm đổi hướng chuyển động của tàu; vì bản thân hành tinh cũng đang chuyển động quanh Mặt Trời, cuộc gặp ấy có thể làm tàu nhanh lên hoặc chậm đi so với Mặt Trời. Kỹ thuật này gọi là hỗ trợ hấp dẫn. Phần năng lượng tàu nhận thêm hay mất đi được trao đổi với chuyển động quỹ đạo của hành tinh; hành tinh nặng đến mức chuyển động ấy gần như không đổi. Nhờ đó, nhiều tàu thăm dò đã có thể đi xa hơn hoặc đổi hướng mà không phải tạo toàn bộ sự thay đổi vận tốc bằng động cơ.

Sau khi rời Trái Đất, quỹ đạo của con tàu vẫn phải được xác định lại trong suốt hành trình. Từ thời gian truyền và sự thay đổi tần số của tín hiệu vô tuyến, cùng các phép đo dẫn đường khác, các kỹ sư có thể ước tính vị trí và vận tốc của tàu rồi so sánh với đường bay dự kiến. Một sai lệch rất nhỏ về vận tốc, nếu để lâu, sẽ cộng dồn thành sai lệch lớn về vị trí; phát hiện sớm thì chỉ cần những lần hiệu chỉnh nhỏ. Tín hiệu đi một chiều tới Sao Hỏa mất từ vài phút đến hơn hai mươi phút, nên có những tình huống con tàu phải tự xử lý theo các chương trình đã nạp sẵn mà không thể chờ chỉ dẫn từ mặt đất.

Với con người, đi xa nghĩa là phải sống ngoài Trái Đất trong nhiều tháng hoặc lâu hơn: con tàu phải duy trì không khí và nước, kiểm soát nhiệt độ, bảo vệ phi hành đoàn trước bức xạ và hạn chế những ảnh hưởng của thời gian dài trong môi trường vi trọng lực. Ở xa, việc tiếp tế, sửa chữa hay quay về cũng không thể thực hiện nhanh chóng. Vì thế, khác với một cỗ máy, chuyến bay có người đòi hỏi nhiều hơn một đường bay đúng: con tàu còn phải giữ được sự sống và hoạt động tin cậy đủ lâu để phi hành đoàn hoàn thành nhiệm vụ rồi trở về an toàn.