Le programme est dirigé par l'Université d'Arizona sous la tutelle de la NASA et le lancement de la sonde a lieu le 4 août 2007 par une fusée Delta II depuis la Cape Canaveral Air Force Station, la fenêtre de tir s'étendait sur 22 jours — pour une arrivée en mai 2008.
Le 10 avril 2008, la trajectoire de la sonde est corrigée en vue d'un atterrissage sur le site de Green Valley.
La sonde Phoenix se pose de façon nominale sur le sol martien le 25 mai 2008 à 23 h 38 UTC. Le signal radio confirmant la réussite de son atterrissage est reçu sur Terre à 23 h 53 UTC, après un délai de transmission de 15 minutes.
Les sondes spatiales Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter et Mars Express ont modifié leurs trajectoires afin d'être au-dessus de Phoenix au moment de son atterrissage. En cas d'échec de la mission, la présence de ces trois orbiteurs aurait permis à la NASA de récupérer suffisamment de données pour comprendre ce qui s'était passé.
Différentes prises de vues réalisées par Phoenix ont montré la disparition d'une matière blanche contenue dans une tranchée creusée par le bras robotisé de la sonde. La NASA a affirmé que cette matière est de la glace d'eau qui s'est sublimée suite à son exposition au soleil.
Le 31 juillet 2008 la présence d'eau gelée dans le sol martien du pôle nord est confirmée, grâce à l'analyse d'un échantillon prélevé par le bras robotique de Phoenix, relevant des vapeurs dégagées par la chaleur. L'existence de cette glace d'eau était déjà connue grâce aux observations de Mars Odyssey et de Phoenix réalisées en juin 2008.
Le matériau brillant découvert dans la tranché disparut au bout de quatre jours : il s'agissait de glace qui s'est évaporée par sublimation après avoir été exposée | Version en couleur des photos montrant la sublimation de la glace. |