水手10號

离开地月系统

在水手10号发射的第一个礼拜，科学家为了测试照相机的功能，让水手10号在11月5日及6日分别拍摄了地球与月球的马赛克照片。科学家因此获得月球北极地区的照片，这个地区在之前的探测活动中所知较少。这些照片也成为制图师更新月面地图及改良月面座标系的参考。

前往金星

水手10号在1973年11月13日进行轨道调整，以利太空船来观测金星。水手10号也在1974年1月以紫外线来观测科胡特克彗星，并在1月21日进行一次适度的轨道校正。水手10号在1974年2月5日通过金星，协调时17:01时距离金星最近为5,768公里。水手10号使用近紫外线波段来观察金星，并拍摄到钩卷云的照片，确认金星大气层的活动。因为金星大气层在可见光波段几乎毫无特色，所以这次的探测活动大幅扩展科学家对于金星大气层的认识。在水手10号抵达金星之前，地面望远镜也曾观测到金星大气层有些变化，但是这次发现让研究人员相当惊讶。

飞掠水星

水手10号在1974年3月29日协调时20:47首次近距离飞掠水星，当时距离水星为703公里。在水星完成2次公转后，水手10号在1974年9月21日再度接近水星，当时距离为48,069公里。水手10号最后一次接近水星是在1975年3月16日，距离水星仅327公里，也是最接近的一次。

任务结束

在姿势控制瓦斯大约耗尽之后，水手10号开始环绕太阳运行。工程测试直到1975年3月24日停止，当时有一个未定的程序让船身倾斜旋转而让氮气供应消耗殆尽，因此NASA对水手10号发送了紧急命令来关闭它的发报机，于是水手10号对地球停止了信号传输。
直到现今，尽管船身上的电子仪器可能受到太阳辐射线的影响而损坏，水手10号仍旧在轨道上围绕太阳运行。美国国家航空航天局的国家太空科学资料中心的大卫威廉斯在2005年表示:"水手10号自从关闭发报机之后并未从地球上被追踪或发现过。我们只能假设它还在绕着太阳运行，因为只有它受到小行星撞击或受到大型物体的接近而扰乱重力才可能离开轨道，这种事件发生的机率非常的小所以我们假设它仍旧绕着太阳运行。"

发现

在飞掠金星时，水手10号在金星上发现云系循环的证据与非常微弱的磁场。
水手10号总共飞掠过水星3次，由于轨道的相对位置（太空船的轨道周期几乎是水星的两倍），使得每次探测的都是面对着水星的同ㄧ面，所以只能绘制水星表面约40-45%地区的地图，并拍摄超过2,800张照片。仅管如此，水手10号所传回的资料仍然是非常重要的，也是目前天文学家了解水星的主要来源，因为在地球上无法用望远镜直接观测水星的表面。这些已经被绘制成地图的区域包括莎士比亚、托尔斯泰、米开朗基罗、开普勒及贝多芬全部或绝大部分的区域，维多利亚及巴哈一半的地区，小部分的普西芬妮、利古里亚及borealis地区。
水手10号发现水星拥有稀薄的大气层，主要是由氦所组成，另外也发现水星拥有磁场与巨大的铁质核心。辐射计显示水星的夜晚温度大约是-183 °C（-297 °F），而白天温度可达187 °C（369 °F）。