パイオニア１０号は、内部太陽系を離脱して木星を探査した最初の探査機である。アトラス・セントール・ロケットに搭載されたパイオニア１０号は、フロリダの宇宙センターを飛び立った後、１９７３年１２月３日、木星の上層大気まで約１３万１５００ｋｍの距離を接近通過した。
パイオニア１０号が撮った木星の画像
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この時点で探査機は、木星の重力を利用するスウィングバイで加速し、飛行速度を秒速３７．４ｋｍから４５．６４ｋｍ（太陽系を脱出できる速度）まで高めた。１９９７年１月１日には、太陽から６７ＡＵ（天文単位：１ＡＵ＝約１億５０００万ｋｍ）の距離にあり、１年間に２．６ＡＵの速度で、恒星間空間につながる太陽圏の末端領域に向かってパイオニア１０号は飛行を続けた。ボイジャー１号や２号、同僚機のパイオニア１１号とは逆方向を辿っている。
パイオニア１０号は、６８光年先の牛座のアルデバラン星を目指して飛行し続けている。目的の星までは約２００万年を要することになる。
パイオニア１０号の本体は高さ３６ｃｍ、周囲７１ｃｍの正六角形の箱型で、その上に直径２．４ｍ、深さが４６ｃｍの高利得パラボラ・アンテナが取り付けられている。このアンテナの裏側には、微小隕石探知センサー・パネルが取り付けられている。パイオニア１０号の本体からは長さ６．６ｍブームが１本と３ｍのブームが２本伸びている。長いブームの先端には磁力計、短いブームの先端には、出力１５０ＷのＲＴＧ（ラジオ・アイソトープ熱電対発電器）が２基ずつ取り付けられている。
箱型の本体の中には、プラズマ検出器、紫外線計、赤外線放射計、宇宙線計、荷電粒子計、結像偏光計、ガイガー計数管、小惑星・小隕石探知センサー、星感知器（恒星カノープスを捉える）、太陽センサー（２基）などの科学機器が収納されている。このほか中利得アンテナおよび全方位性の低利得アンテナが装着されている。
パイオニア１０号に搭載された
３基の推進機が探査機の回転速度の制御と速度の変更を制御し、推進機のパルシングや点火は地球からの司令により制御される。地球との交信は、低利得アンテナ、中利得アンテナ、受信機、および高利得アンテナともう一基の受信機のセットで行われる。探査機の温度は、摂氏−２３〜３８度の間に保たれる。送られてくるデータは、ＮＡＳＡのＤＳＮ（深宇宙通信網）により秒速２０４８バイトで受信される。
パイオニア１０号は、惑星間磁場および木星の磁場を観測したほか、木星のオーロラおよび放射線帯を観測した。さらに木星と衛星イオの大気を測定し、木星と衛星を撮影した。
初の木星の探査はほぼ計画どおりに終了した。その後パイオニア１０号の追跡や送られてくるデータの処理は続けられたが、予算不足を理由に１９９７年３月３１日を以って終了した。以降、１９９８年１月７日に打ち上げられた月探査機ルナー・プロスペクター・プロジェクト（１９９９年７月３１日に終了）に組み込まれ、データの回収が散発的に行われたが、２００１年４月２８日を以ってパイオニア１０号との交信は途絶えた。
その後、２００３年１月２２日に１２２億キロの彼方から微弱な信号が届いた。しかし、パイオニア１０号の推進燃料はほとんど尽きているため、この信号が最後となるようである。
パイオニア１０号（および１１号）の機体には、人間男女と太陽系の中の太陽と地球の位置を描いたプラーク（記念銘板）が取り付けられている。
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