Alors qu'une sonde robotisée se pose sur Mars, prélude à une première mission habitée vers la planète rouge, Elma York embarque à bord de la navette qui la ramènera sur Terre après une affectation de trois mois sur la Lune. Mais le retour ne se passe pas comme prévu : un groupe de terroristes appartenant au mouvement Earth First profite de l'atterrissage en catastrophe du vaisseau pour prendre l'ensemble des passagers en otage. Leurs revendications sont simples : l'arrêt de la conquête spatiale et la réaffectation du budget à la survie sur Terre.
La Lady Astronaute parviendra-t-elle à leur faire entendre raison et, surtout, réalisera-t-elle son rêve : fouler, un jour, le sol martien ?
Vers Mars forme avec Vers les étoiles un diptyque haletant, en prise directe avec le monde contemporain : le récit d'une lutte pour les droits des femmes et des minorités et d'une conquête spatiale digne de L'Étoffe des héros.