Próba ta przyniosła w tym przypadku istotne rezultaty poznawcze.
Spotkanie z Wenus Podczas lotu w kierunku Wenus wystąpiły liczne kłopoty techniczne, między innymi awaria anteny parabolicznej i systemu kontroli położenia, mimo to sonda kontynuowała swą misję. W styczniu 1974 sonda wykonała obserwacje w ultrafiolecie komety Kohoutka. By dotrzeć do Merkurego, Mariner 10 wykorzystał asystę grawitacyjną Wenus, zbliżając się do niej 5 lutego 1974 roku na najmniejszą odległość 5768 kilometrów. Za pomocą filtru do bliskiego nadfioletu, sonda po raz pierwszy sfotografowała niewidoczne w świetle widzialnym szczegóły pokrycia wenusjańskich chmur, a także wykonała kilka innych obserwacji atmosfery, dostarczając na Ziemię łącznie 4165 zdjęć. Można było na nich rozpoznać ogólne kształty układów szczytowych partii chmur czy raczej warstw aerozoli. Uzyskano również wiele innych danych naukowych.
Badania Merkurego mały|lewo|Zdjęcie Merkurego wykonane przez sondę 24 marca 1974 Trzy przeloty w pobliżu Merkurego nastąpiły 29 marca i 21 września 1974 oraz 16 marca 1975. Sonda wykonała mapy ok.