NASA-ESA 火星样本取回任务（NASA-ESA Mars Sample Return, MSR）是一项计划中的火星样本取回任务，目标是在 43 个铅笔大小的小型圆柱形钛制样本管中收集火星岩石和土壤样本，并在 2033 年左右将它们送回地球。 这项耗资约 90 亿美元的任务将可以进行比火星探测器更加深入、广泛的分析。
尽管此任务截至 2022 年 12 月仍处于设计、规划阶段，但毅力号火星车已经在杰泽罗撞击坑采集样本。
经过许多次提案与筛选后，目前的 NASA-ESA 计划于 2022 年 9 月获得批准，使用三个任务取回样本：
该任务希望解答火星是否曾孕育生命的问题。
火星2020任务的毅力号火星车正在采集样本，随后会将样本管留在火星地表，以供未来的任务取回。
火星2020任务的毅力号火星车于 2021 年 2 月将降落在杰泽罗撞击坑。它将收集了多个样本并将其装样本管中以备日后返回。科学家们推测，杰泽罗撞击坑是一个古老的湖床，适合地面采样。
2021 年 8 月上旬，毅力号首次尝试通过钻出一个手指大小的火星岩石核心来收集地面样本。 这次采样尝试没有成功。产生了一个钻孔，然而样品容器是空的，这是因为取样的岩石不够坚固，无法产生坚固的样本。毅力号随后于 2021 年 9 月上旬对被认为更有可能获得足够坚固样品的第二块目标岩石进行取样。研磨岩石后，通过喷射加压氮气清除灰尘，并检查所得岩石表面，在 9 月 1 日钻孔采样。 9 月 6 日，该封装完成，第一个样品放入样本管容器中。
2022 年 12 月 21 日开始，毅力号开始将收集到的 10 个样本放置在三叉样本存放站（Three Forks Sample Depot）。
为了完成火星样本取回任务，毅力号的将会收集和储存一套岩石和土壤样本，这些样品在未来十年内会有后续任务将其取回。
目前在在毅力号携带的43个样本管中，已经封装15个岩石样本（8个火成岩样本、7个沉积岩样本）、2个表岩屑样本、1个大气样本和3个见证管，而43个样本管中有5个见证管，会装入毅力号探索区域周围的环境中的气体与微粒，作为样本的对照组。
NASA 的毅力号火星车为 MSR 活动进行科学和样本采集将近一个火星年之后，于2022 年 12 月 19 日开始把十个样本存放三叉样本存放站。该仓库将作为备用方案，以防毅力号无法运送样本。 毅力号将样本存放在一个相对平坦的地形，称为三叉（Three Forks），这样 NASA 和 ESA 就可以在 MSR 任务中收回它们。 该地点同时也是样本收集着陆器的备用着陆点。
毅力号复杂的采样和缓存系统需要将近一个小时的时间才能从火星车的腹部取回金属管，用其内部缓存相机（Cachecam）对其进行最后一次观察，然后让样本掉落一块精心挑选的地面上。
样本管不会被堆放在同一个地方。每个样本管都有一个直径约为 5.5 米（18 英尺）的“操作区域”可供放置。10 个样本管将以复杂的锯齿形图案编排放置于火星地表，每个样本附近彼此相距约 5 ~ 15 米。
采用此计划有多种原因，最大原因是因为样本回收直升机一次只能收回一个样本管。同时，直升机会于此处起飞和降落，并在该地点短暂行驶。 为了确保直升机能够毫无问题地取回样本，该计划要得到妥善执行，并且将耗时两个多月。
早期规划的火星样本取回任务包括 ESA 的捡取样本火星车及其相关的第二个着陆器，以及火星上升飞行器（Mars ascent vehicl, MAV）及其着陆器，后者将把样本带到 MAV，然后将样本发射进入轨道。但考虑到成本超支后，决定以毅力号为将样本运送到样本收集着陆器（Sample Retrieval Lander, SRL）的主要方式。
目前计划的的样本收集任务为在 2028 年发射样本收集着陆器，搭载火星上升飞行器和两架样本回收直升机。毅力号和直升机将把样本运送到 SRL 。 SRL 中由 ESA 研发的样本转移机械手臂将提取样本并将它们放置到火星上升飞行器的样品返回胶囊中。 SRL计划于 2029 年在杰泽罗撞击坑的三叉地区（Three Forks）附近着陆。
SRL 将会搭载两架机智号级直升机，两者都将利用微型机械手臂收集样本管至 SRL ，以防毅力号遇到问题。
火星上升飞行器（MAV）是 NASA 制造的 3 米长、两级固体燃料火箭，由洛克希德·马丁公司与马歇尔太空飞行中心合作开发，它将把从火星表面收集到的样本运送到地球返回轨道器。 计划在它点燃之前以每秒 16 英尺（5 米）的速度弹射到空中，以消除升空失误的可能性，例如 SRL在火箭升空时滑动或倾斜。火箭的第一级将由一个升级后的 STAR-20 发动机运行 70 秒，而第二级将由一个升级后 STAR-15 发动机再燃烧 27 秒。 之后 MAV 将进入高度 380 公里的轨道。样品容器将被释放到轨道上。
MAV 计划于 2028 年随着 SRL 发射。
ERO 是 ESA 开发的轨道器。 它包括 NASA 建造的样本捕获/收容和返回系统 (CCRS) ，用于与 MAV 在低火星轨道 (LMO) 上会合并交付样本。ERO 重约 6000 公斤并拥有宽度超过 40 米的太阳能板 （为有史以来发射到太空最大的太阳能板之一）。
ERO 计划于 2027 年用亚利安6号运载火箭发射，并于 2028 年到达火星，它将使用离子推进器和单独的推进元件逐步到达正确的轨道。 轨道器将在轨道上取回并密封样本舱，并使用 NASA 制造的机械手臂将密封的样本舱放入地球再入舱 (Earth Entry Vehicle, EEV) 。它将在 2033 年火星-地球转移窗口期间返回地球。
捕获/收容和返回系统 (CCRS) 会将样本存放在 EEV 中。 EEV 将在没有降落伞的情况下返回地球并着陆。 犹他州测试和训练场的沙漠和 EEV 中的减震材料能在保护样品免受冲击力。 EEV 计划于 2033 年登陆地球。
