Область научных интересов – механика и физика космоса, астрофизика, планетология, изучение Солнечной системы, математическое моделирование космических и природных сред. Ему принадлежит ведущая роль в разработке и осуществлении многолетней программы космических исследований в СССР, в изучении околоземного космического пространства, Луны и планет Солнечной системы. При его непосредственном участии проведены пионерские исследования Венеры и Марса, в том числе выполнены первые прямые измерения в атмосфере и на поверхности этих планет с борта космических посадочных аппаратов, получившие мировое признание. Внесен большой вклад в разработку теоретических основ аэрономии, в механику многокомпонентных турбулентных реагирующих газов и неоднородных многофазных сред, в изучение неравновесных кинетических процессов, создание оригинальных методов математического моделирования атмосфер планет, комет и их газовых оболочек, миграционно-столкновительных процессов в космическом пространстве..
Опубликовано свыше 250 научных работ в российских и зарубежных реферируемых журналах и 15 монографий по актуальным проблемам космических исследований, механики и физики космических сред.
Ведет активную педагогическую работу, включая преподавание в Международном космическом университете, является Главным редактором научного журнала РАН "Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы" и членом редколлегий ряда международных научных журналов. Возглавляет Комиссию РАН по изучению творческого наследия К.Э. Циолковского, член Совета по космосу РАН. Принимает активное участие в работе ряда международных научных организаций, избирался Президентом Отделения планетных исследований Международного Астрономического Союза (МАС).
Присуждены Ленинская премия, Государственная премия СССР и Международная Галаберовская премия по астронавтике. Удостоен ряда правительственных наград, в том числе в 2003 г. Ордена Почёта. Избран действительным членом Международной Академии астронавтики и членом Британского Королевского астрономического общества.

Основные публикации за 2009-2010 гг.

•‎ А.В. Колесниченко, М.Я. Маров. Турбулентность и самоорганизация. Проблемы моделирования космических и природных сред. Монография. Изд-во БИНОМ, М, 2009, сс. 632.

•‎ М.Я. Маров. Космический проект «Фобос-Грунт»: Новый этап Российской
планетной программы/ Астрономический вестник. Исследования Солнечной
системы №1, 3-6, 2010.

•‎ М. Я. Маров, А. Е. Королев, В. П. Осипов, А. А. Самылкин. Численное стохастическое моделирование образования кластеров. Доклады АН, 2010, т. 432, No 4, с. 1–4.

•‎ А.В. Колесниченко, М.Я. Маров. К магнитогидродинамическому моделированию протопланетного диска Солнца.. Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы, №5, 2009.

•‎ М.Я. Маров. Астрономические аспекты проблемы происхождения жизни. В Сб.
«Наследие Галилея», Изд-во СКИФ, 2009, сс.108-132.

•‎ М.Я. Маров. Приток пыли и летучих на планеты земной группы. В Сб.
«Космическая пыль на поверхности Земли». МИАС, 2010, сс. 54-70.