O principal objetivo desta missão é caracterizar globalmente a geologia e a morfologia de Plutão e suas luas, além de mapear suas superfícies. Também vai procurar estudar a atmosfera neutra de Plutão e sua taxa de fuga. Outros objetivos secundários incluem o estudo das variações da superfície e da atmosfera de Plutão e de Caronte ao longo do tempo. Serão obtidas imagens de alta-definição de determinadas áreas dos dois corpos celestes, para caracterizar a sua atmosfera superior, a ionosfera, as partículas energéticas do meio ambiente e a sua interação com o vento solar. Além disso, a sonda vai procurar pela existência de alguma atmosfera em torno de Caronte e caracterizar a ação das partículas energéticas entre Plutão e Caronte. Também irá procurar por satélites ainda não descobertos e por possíveis anéis que envolvam o planeta-anão e seu satélite, antes de ser direcionado para o Cinturão de Kuiper e de lá para o espaço interestelar.

Lançada em 19 de janeiro de 2006, diretamente numa trajetória de escape Terra-Sol com uma velocidade relativa de 16,26 km/s ou 58 536 km/h e usando uma combinação de foguete monopropulsor e assistência gravitacional, ela sobrevoou a órbita de Marte em 7 de abril de 2006, a de Júpiter em 28 de fevereiro de 2007, a de Saturno em 8 de junho de 2008 e a de Urano em 18 de março de 2011, a caminho da órbita de Netuno, que cruzou em 25 de agosto de 2014, em sua jornada até Plutão.