Le site d'atterrissage serait une ancienne plaine alluviale, située dans l'hémisphère nord de Mars. La région d'Ares Vallis a été choisie par les scientifiques parce qu'elle dispose d'une très importante quantité de roches. En admettant que les alluvions aient charié une multitude de roches très variées, le site promettait d'être intéressant. En outre, la surface était suffisamment plate pour un amarsissage en douceur. Une fois arrivé à bon port, le site où se posa le lander fut baptisé le « mémorial Carl Sagan » en l'honneur de l'astronome américain.
La sonde était constituée d'un lander et d'un petit robot doté de six roues et pesant à peine 10,6 kg, appelé « Sojourner », conçu et inspiré d'après les recherches et experiences du robot lunaire soviétique Lunokhod.
Mars Pathfinder a utilisé une méthode innovante pour se poser sur la surface de mars : il fut d'abord assisté par un parachute pour ralentir sa descente dans l'atmosphère ténue de la planète Mars, puis des coussins gonflables géants amortirent l'impact de la sonde avec le sol. Les sondes Viking utilisaient une méthode d'amarsissage plus classique, en utilisant des rétrofusées.
Le lander relayait les transmissions du robot vers la Terre, et il recevait les informations de la Terre à destination du rover. Le robot était téléguidé, mais il pouvait se déplacer de manière autonome lorsqu'il s'agissait d'éviter des petits obstacles.
La liberté de mouvement permise par ce petit robot a permis à l'équipe d'exploration d'analyser bien plus de roches et d'échantillons du sol que ne l'auraient permis une sonde traditionnelle. De son amarsissage le 4 juillet 1997 à sa dernière transmission, le 27 septembre 1997, la mission Mars Pathfinder a renvoyé pas moins de 16 500 images (via le lander), et 550 images grâce au rover. 15 analyses chimiques des roches et du sol ont été effectuées, ainsi que des relevés détaillés de météorologie (données liées aux vents, à la température). Ces données ont renforcé l'idée que Mars fut jadis plus chaude et humide, et que l'eau existait alors à l'état liquide à sa surface. L'atmosphère était probablement plus dense.
La raison exacte de la défaillance du lander n'est pas certaine, mais il s'agit probablement d'une défaillance de la batterie, ayant entraîné un refroidissement de celui-ci qui le rendit inopérant. Le robot Sojourner devait retourner de manière automatique près du lander, mais sa localisation exacte et son état restèrent inconnus. Malgré tout, le lander et le rover ont fonctionné bien plus longtemps que prévu. La dernière tentative de la NASA pour recontacter Pathfinder date du 10 mars 1998.