Eine Mission zur Untersuchung von Polarlichtern mit hoher Dynamik startete am 17.02.2007 mit einer Delta 7925  PAM-​D Rakete von Cape Canaveral. Mit dem THEMIS Experiment (Time History of Events and Macroscopic Interactions during Substorms) sollten die plasmaphysikalischen Prozesse, die zu einem sogenannten magnetischen Teilsturm führen, erforscht werden. Bei einem solchen Ereignis werden energiereiche Teilchen aus der Magnetosphäre entlang der Magnetfeldlinien beschleunigt und treffen auf die Hochatmosphäre. Das sichtbare Ergebnis sind ungewöhnlich dynamische Polarlichter. Um deren räumliche Struktur erfassen zu können, wurden fünf Satelliten ausgerüstet. Sie erhielten als wissenschaftliche Nutzlast je ein Fluxgate-​Magnetometer (FGM — Flux Gate Magnetometer), einen elektrostatischen Analysator (ESA — ElectroStatic Analyzer), ein Festkörper-​Teleskop (SST — Solid State Telescope), ein Suchspulen-​Magnetometer (SCM — Search Coil Magnetometer) und ein Instrument zur Untersuchung elektrischer Felder (EFI — Electric Field Instrument). Zweimal hatte der Start wegen zu starker Höhenwinde verschoben werden müssen. Doch im dritten Anlauf gelang der Start und alle fünf THEMIS Satelliten konnten aus der speziellen Startvorrichtung in etwa auf den vorgesehenen Bahnen ausgesetzt werden. Die Bahnhöhe bewegte sich zwischen 470 km und 87.630 km, womit das Apogäum etwa 4.200 km zu niedrig ausfiel. Nach dem Entfalten der Antennen und Ausleger wurde Ende Februar mit der Kalibrierung der Instrumente der THEMIS Satelliten begonnen. Start der eigentlichen wissenschaftlichen Mission war erst im September 2007. Dann sollten sich die Satelliten auf deutlich unterschiedlichen Bahnen verteilen, deren Apogäen bei 10, 12, 20 und 30 Erdradien (entsprechend 57.400 km, 70.160 km, 121.180 km und 184.960 km) lagen. Damit konnte die „Tail Science Phase“ beginnen, bei der Daten im Schweif der Magnetosphäre gesammelt werden sollten. Weitere Bahnmanöver in den Monaten darauf ermöglichten Messungen unter vollkommen anderen Bedingungen. Ergänzend zu den Untersuchungen der Satelliten wurde auf der Erde eine Meßkampagne durchgeführt. An zwanzig Standorten in Kanada und Alaska waren dazu All-​Sky Imager aufgestellt worden, die alle drei Sekunden ein Bild des gesamten sichtbaren Himmels aufnahmen.
Ergänzend waren an einundzwanzig Standorten Fluxgate-​Magnetometer installiert worden, analog zu dem FGM Instrument der THEMIS Satelliten. Elf der Magnetometer wurden von Schulen betreut, die im Geomagnetic Event Observation Network by Students zusammengeschlossen waren. Die Messungen von Variationen des bodennahen Erdmagnetfelds mit den GMAG Instrumenten konnten Polarlichter selbst bei bedecktem Himmel nachweisen.
Nach dem Ende der Primärmission konzipierten die am Projekt beteiligten Wissenschaftler eine zweite Phase des Unternehmens. Die beiden äußeren Satelliten hätten aus bahnmechanischen Gründen dazu aber nichts mehr beitragen können. Stattdessen wurde mit ihnen die ARTEMIS (Acceleration, Reconnection, Turbulence, and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun) Mission verwirklicht, in der THEMIS P1 und THEMIS P2 als ARTEMIS P1 bzw. ARTEMIS P2 unter Einsatz von zwei (P1) bzw. einem (P2) Mond fly-​by Manövern auf Lissajous Bahnen um die LL₁  bzw. LL₂  Lagrange Punkte manövriert wurden. P1 erreichte seinen vorläufigen Zielorbit im Januar 2011, gefolgt von P2 im April 2011. Dabei ergab sich die Gelegenheit, Erfahrungen mit äußerst komplexen Bahnmanövern in einem 4-​Körper-​System zu sammeln, wobei der effektive Treibstoffverbrauch extrem gering gehalten werden mußte. Auf ihren neuen Bahnen begannen die beiden Sonden eine sehr erfolgreiche mehrjährige Forschungsmission zur Erforschung des „Weltraumwetters“. Allerdings wurden sie aus ihren Lagrange Orbits schon nach wenigen Monaten in einen stabilen Mondorbit manövriert. P1 erreichte seinen am 02.07.2011 (laut anderen Angaben bereits am 27.06.2011), P2 folgte am 17.07.2011.