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„Mars Direct“ ist ein Missionsplan, der 1990 von Robert Zubrin erstellt wurde. Es werden Startraketen von der Kapazität der Saturn V benötigt. Bevor Menschen Richtung Mars geschickt werden, startet ein unbemanntes Raumfahrzeug, das auch das Raumschiff zur Rückkehr beinhaltet, von der Erde und landet auf dem Mars. Dieses führt einen kleinen Kernreaktor mit, der 100 kW elektrische Leistung liefert. Sechs Tonnen von der Erde mitgebrachten Wasserstoffs, Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre und die elektrische Energie aus dem Kernreaktor werden verwendet, um Methan und Wasser zu erzeugen (Sabatier-Prozess). Das Wasser wird elektrolytisch gespalten und der Wasserstoff von Neuem zur Methan- und Wasserherstellung herangezogen. So entstehen aus 6 Tonnen Wasserstoff sowie aus Kohlendioxid der Marsatmosphäre 24 Tonnen Methan und 48 Tonnen Sauerstoff, die bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeiten gespeichert werden. Zusätzliche 36 Tonnen Sauerstoff sollen durch Elektrolyse von Kohlendioxid gewonnen werden. Von den so erzeugten 108 Tonnen Treibstoff und Oxidationsmitteln werden 96 Tonnen für die Rückkehr zur Erde benötigt, der Rest wird für Fahrzeuge auf der Marsoberfläche verwendet.

Innerhalb des nächsten Startfensters, also 26 Monate nach dem unbemannten Raumschiff, startet das bemannte Raumschiff. Damit während der sechsmonatigen Reise zum Mars keine Schwerelosigkeit herrscht (eine Adaption an die Marsschwerkraft würde danach Zeit kosten), wird die Oberstufe der Startrakete mit einem Seil an dem bemannten Raumschiff befestigt, das System in Rotation versetzt und Marsschwerkraft nachgeahmt. Kurz vor der Landung in unmittelbarer Nähe des unbemannten Schiffs wird die Seilverbindung wieder getrennt. Das bemannte Raumschiff bringt das Habitat mit, in dem die Astronauten auf der Marsoberfläche leben. Falls die Landung aufgrund von Fehlern zu weit von der ursprünglichen Landestelle erfolgt, soll das mitgeführte Fahrzeug es den Astronauten ermöglichen, eine Strecke von bis zu 1000 km zu überwinden. Nach ca. 1,5 Erdjahren auf der Marsoberfläche sollen die Astronauten mit dem bereitstehenden Rückkehrraumschiff (Earth Return Vehicle, ERV) den Mars wieder verlassen und zur Erde zurückkehren.

Ungefähr gleichzeitig mit dem Start einer bemannten Mission soll das nächste unbemannte Schiff zur Treibstofferzeugung gestartet werden, damit im Anschluss die nächste Region der Marsoberfläche erforscht werden kann.

Die Kosten für drei solcher Missionen werden auf ca. 50 Milliarden US-Dollar und damit auf wesentlich weniger als die 400 Milliarden US-Dollar geschätzt, auf die man die Kosten eines bemannten Marsfluges 1989 nach der Initiative des US-Präsidenten George H. W. Bush veranschlagt hat.