Lançada ao espaço por um foguete Delta II, a sonda consistia em um aterrissador dotado de um braço mecânico destinado a coletar amostras de solos, para análises físico-químicas. Este aterrissador seria utilizado pela sonda Mars Surveyor 2001, mas aquela missão foi cancelada. A Phoenix transportava um conjunto de instrumentos mais atualizados com relação aos utilizados na fracassada missão Mars Polar Lander.

O objetivo da sonda era procurar água e ela pousou próximo ao pólo norte de Marte onde acredita-se existir água congelada. Pouso este realizado nas coordenadas 68,218830N 234,250778E, ou seja, próximo ao polo norte do planeta. A Phoenix utilizou o seu braço robótico para cavar o solo marciano. Este solo é afetado pelas variações sazonais do clima nos pólos e pode conter componentes orgânicos necessários para a vida.