Орбитальный аппарат состоял из тороидального приборного отсека от станции «М-71» и двигательной установки со сферическим топливным баком от станции «М-69». Посадочный модуль массой 16 тонн имел аэродинамический экран с жесткой центральной частью диаметром 6,5 метра.

После перевода аппарата на межпланетную траекторию открывались 30 лепестков, закрепленных по периметру жесткой части, и образовывался жесткий аэродинамический конус диаметром 11 метров. Внутри экрана устанавливался приборный отсек с системой управления мягкой посадкой, включая доплеровский измеритель скорости и высотомер, а также радиосистемы, программно-временное устройство и систему энергоснабжения. Двигательная установка системы мягкой посадки имела четыре сферических топливных бака и четыре ЖРД с регулируемой тягой. В верхней ее части была установлена двухступенчатая ракета возвращения с орбитальным аппаратом «Марс-Земля», созданным на базе орбитального отсека станций «Венера-4/6», и возвращаемый аппарат массой 15 килограммов, способный вместить 200 граммов марсианского грунта.

Схема полета «5НМ» к Марсу выглядела следующим образом.

Станция выводится на межпланетную траекторию двухступенчатым разгонным блоком. При подлете к Марсу выполняется коррекция траектории. Затем посадочный и орбитальный модули разделялись, последний переводился на пролетную траекторию. В это время посадочный модуль входит в марсианскую атмосферу и, используя асимметричный аэродинамический экран, выполняет планирующий спуск.

Когда его скорость уменьшается до 200 м/с, экран сбрасывается и аппарат совершает мягкую посадку с включением тормозящей двигательной установки.

После посадки планировалось организовать двухстороннюю линию связи посадочного модуля с Землей на дециметровых волнах. По командам с Земли должен был производиться забор грунта в выбранном по панорамам месте и его загрузка в возвращаемый аппарат. Через трое суток по командам с Земли возвратная ракета с орбитальным аппаратом «Марс-Земля» и возвращаемым аппаратом стартовали и выводились на околомарсианскую орбиту высотой 500 километров.

Через 10 месяцев, при достижении благоприятного расположения планет, орбитальный аппарат «Марс-Земля» переводился на межпланетную траекторию возвращения на Землю. При подлете к Земле возвращаемый аппарат отделялся от орбитального и тормозился в атмосфере. Его скорость снижалась до 200 м/с, после чего выпускался парашют и включался радиомаяк, облегчающий поиск возвращаемого аппарата Для отработки систем станции и посадочного аппарата конструкторы НПО имени Лавочкина предполагали реализовать в 1973 году проект «4НМ», осуществив высадку на Марс автоматического вездехода для исследования планеты.

Проект доставки марсианского грунта был обсужден на Научно-техническом совете НПО. При этом он вызвал серьезную критику со стороны Главного конструктора. Дело в том, что поскольку бортовые системы станции не прошли проверку в реальном полете, никто не мог дать гарантии их нормального функционирования в течение почти трех лет.

Смущало Бабакина и то, что проект «5НМ» не обеспечивал стопроцентной биологической безопасности Земли. В случае отказа парашютной системы возвращаемый аппарат разбивался, и микробы, присутствующие в образцах марсианского грунта, попав в тепличные условия, могли начать размножаться с очень большой скоростью. Разумеется, наличие жизни на Марсе находилось под сомнением, но исключать подобную возможность было нельзя.

При всех этих недостатках проект понравился министру общего машиностроения Сергею Афанасьеву. Он пытался убедить Бабакина начать работу, однако Георгий Николаевич отказался.