La petite sonde d'exploration de la NASA s'est posée en douceur sur la planète Mars dans la région polaire nord (68,16°N - 233,35°E). Après avoir largué son étage de croisière, la sonde a commencé à pénétrer dans l'atmosphère de Mars à la vitesse de 5,7 km/seconde. Le freinage atmosphérique a été très important au point que le bouclier thermique a vu sa température monter jusqu'à 1 420°C. A 12 km d'altitude, le parachute s'est déployé correctement et la sonde a continué son plongeon vers son site d'atterrissage. A moins d'un kilomètre du sol, les rétrofusées ont pris le relais du parachute et ont donné le dernier coup de frein. Il est 23 heures, 53 minutes et 52 secondes en temps universel lorsque le signal annonçant l'atterrissage en douceur a été réceptionné par le centre de contrôle de Pasadena en Californie. Cette bonne nouvelle est saluée par un tonnerre d'applaudissements et de sourires. Mais la mission ne peut commencer directement. Avant, il faut laisser le temps à la poussière qui a été soulevée par le souffle des rétrofusées de retomber. Ce n'est que 15 minutes plus tard que les panneaux solaires ont pu être déployés.
Phoenix va pouvoir commencer sa mission nominale de 90 jours qui consiste à rechercher des traces d'écoulement d'eau liquide datant de 100 000 ans. L'idée est de savoir si l'eau découverte est propice au développement de vie bactériologique. Le site d'atterrissage n'a pas été choisi au hasard. Il est situé à la limite du pôle nord dans le lit d'un ancien océan, aujourd'hui disparu. Les données fournies par la sonde européenne Mars-Express, équipée du radar MARSIS, ont révélé des dépôts en couches d'une profondeur de plus d'un kilomètre, dont la partie supérieure serait formée de glace d'eau "presque pure" ne comportant que 2 % d'impuretés, et dont la température serait de - 33°C.
A l'aide d'un bras robotisé, la sonde pourra récolter des échantillons de roches jusqu'à une profondeur de 50 cm. Ceux-ci seront versés dans l'instrument TEGA comportant 8 fours, chacun ne pouvant être utilisé qu'une seule fois, qui permettront de chauffer les échantillons à une température de 1 000°C. Le spectromètre de masse déterminera la composition chimique des gaz résultant de cette cuisson. Le bras robotisé porte également une expérience, MECA (pour Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyser), pour l'étude des propriétés du sol.
Phoenix transporte une station météo dotée de capteurs fixés sur un mat de 1,20 mètre. Elle fournira des données sur la température, la pression atmosphérique, la teneur en eau, et la quantité de poussière en suspension dans l'air.
Le dernier outil qui va aider à la compréhension des données collectées est sans conteste la caméra stéréoscopique qui permettra de restituer des images en 3 dimensions du site d'atterrissage sous différentes longueurs d'ondes allant de l'infrarouge à la lumière visible.
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