张荣桥任工程总设计师，负责组织完成中国首次火星探测（天问一号）任务。针对中国火星探测尚属空白，与国外还存在较大差距的现实，提出“通过一次任务实现火星环绕、着陆、巡视”的创新性总体方案，并在国际上首次成功实现，使得中国成为世界上第二个在火星开展巡视探测的国家；针对火星探测发射窗口少的特点，创新提出固定射向固定滑行时间的多弹道奔火发射方案，解决了飞行诸元临射切换、测控布船、航落区安全管控等难题和双曲线弹道制导控制、地球逃逸轨道C3关机控制等关键技术，实现了在每26个月才有一次的机会中可靠发射，精准入轨，成功实现中国首次第二宇宙速度火箭发射；针对火星探测4亿千米远距离测控通信难题，采用星上高灵敏应答机、地面异地组阵接收、全球VLBI测量、UHF和X双频中继方案，解决了极弱信号接收、大时延下测控和通信等核心技术，实现了探测器高精度测定轨和火星车高速中继回传；针对火星大气剖面结构和风场模型不确定等技术难题，采用半弹道进入、大气进入角优化设计、马赫数和时间双控制触发开伞策略、在线自适应规划制导与控制等技术，实现了首次成功在地外行星软着陆和巡视。

截至2022年5月中旬，祝融号火星车已工作300多个火星日，累计行驶1921米，并回传大量一手科学探测数据。

张荣桥任高分辨率对地观测系统重大专项（民用部分）工程总设计师，提出实现低轨遥感卫星长寿命技术途径。牵头组织开展工程总体方案和专项目标优化工作，提出了实现低轨遥感卫星8年寿命技术途径，使高分卫星寿命提升到5至8年，实现中国卫星长寿命技术大幅度提升。

张荣桥任探月中心总工程师和探月工程副总师，负责嫦娥一号、二号工程测控系统研制和建设工作。带领工程研制团队针对中国近地卫星测控网不能满足嫦娥一号38万千米远测控通信的问题，组织落实新建18米测控站。针对测量船不满足嫦娥2号主动段X频段测控问题，研究提出星上解决方案，在中国深空测控网尚未建立的情况下，实现了可靠测控通信。

张荣桥带领着团队，完成了中国首次火星探测任务，成功使祝融号火星车在火星表面软着陆。（国际权威科学杂志《自然》评）

张荣桥面对我国行星探测领域空白，勇于创新创造，勇攀科技高峰，组织完成行星探测工程总体方案论证，规划设计我国行星探测路线图;作为首次火星探测任务总设计师，实现我国火星探测任务一次发射完成对火星的环绕、着陆和巡视探测，在火星上留下中国人的印迹，实现我国深空探测从地月系到行星际的跨越。（国家航天局评）

张荣桥说探测地外行星是我们认识宇宙奥秘的一个重要途径和手段。开展深空探测不仅有助于人类了解太阳系和生命起源与演化规律，推动社会经济发展和人类文明的持续进步，也是国家综合国力和创新能力的体现，我们中国人也应该在这个领域有所建树。同时，深空探测成为当今世界航天活动的前沿领域，对国家科技发展、经济建设、社会进步具有十分重要的意义。中国火星探测起步晚，同国外存在一定差距，但随着中国成功实施载人航天和探月工程，为火星探测提供了一定的技术和设备基础，我们不能只考虑风险，而要有担当精神和攻坚克难的勇气，一旦成功，不仅能节省经费，更能在短时间内完成技术跨越，使中国步入行星探测领域世界先进行列，这是我们几代中国航天人的梦想，也是中国航天事业发展的必然选择。

张荣桥说“天问一号”任务是中国开展行星探测的第一步，后续还将择机开展小行星探测、火星采样返回和木星系与行星际穿越探测等任务。从1970年东方红1号卫星成功发射，再到载人航天、探月工程、北斗导航和火星探测的圆满成功，中国用52年的时间完成了一项又一项具有里程碑意义的成就，集中体现了中国航天技术水平稳步提升。中国的航天技术发展也为空间科学研究的进一步深入开展奠定基础。今后将会以满足科学研究目标和人类文明发展需要作为出发点，开展更多的深空探测活动，为人类进一步认知宇宙贡献中国力量。

2019年1月31日，首次火星探测任务总设计师张荣桥到中国科学院固体物理研究所进行专题调研。

2020年9月18日，张荣桥参加2020年中国航天大会时表示，天问一号任务迈出了中国行星探测的第一步，未来中国还将实施小行星取样返回、火星采样返回、木星系环绕探测等任务。