Die am 04.08.2007 auf die Reise zum Mars geschickte Landesonde „Phoenix“ erreichte planmäßig am 25.05.2008 ihr Ziel. Im Endanflug auf den Mars wurde die Manöverstufe abgetrennt, bevor der Lander, noch eingeschlossen in einen aerodynamischen Hitzeschild, mit 5,7 kms^–1  in die Atmosphäre eintrat. Sobald die Geschwindigkeit ausreichend abgebremst war, wurde ein Bremsschirm ausgestoßen und wenig später löste sich das Hitzeschild. Den weiteren Abstieg überwachte ein Landeradar, das in 980 m Höhe über Grund den Lander vom Rest der Stufe trennte. Die weitere Verzögerung übernahmen Bremstriebwerke. Schließlich setzte der Lander am 25.05.2008 um 23:38 UTC sicher auf seinem Dreibein-​Landegestell auf. Die angesteuerte Zielregion bildete eine Ellipse von 100×20 km in einer Region, von der die Wissenschaftler annahmen, daß sie die größten Wassereisvorkommen des Mars außerhalb der Polregionen beherbergten. Zwar war die Abtrennung des Bremsschirms 7 s verspätet erfolgt, so daß der Aufsetzpunkt ganz am Rand der berechneten Landeellipse lag. Doch war allein die weiche Landung in der Vastitas Borealis Ebene schon ein Erfolg. Die HiRISE Kamera des Mars Reconnaissance Orbiter fotografierte sogar den davondriftenden Bremsschirm nach dem Ausklinken des Landers. „Phoenix“ kam nur 0,3° geneigt zum Stillstand und auch ein letztes Manöver vor dem Aufsetzen, das die Solarzellen on Ost-​West-​Richtung zur Sonne orientieren sollte, konnte präzise abgeschlossen werden. Nachdem sich der aufgewirbelte Staub gelegt hatte, entfaltete „Phoenix“ seine beiden Solarzellenflächen. In den frühen Morgenstunden des 26.05.2008 übertrug der Lander dann die ersten Bilder von der Landestelle. Das war jedoch nur eine der sekundären Aufgaben der Mission. Wichtigstes Ziel war die Entnahme von Bodenproben und ihre Analyse. Doch zunächst verhinderten Probleme bei der Kommandoübermittlung über den als Relais dienenden MRO den Einsatz des Auslegers für die Probenentnahme. Am 31.05.2008 berührte der Ausleger dann erstmals den Marsboden. Mit der angebrachten Schaufel wurden zunächst Gräben in den Marsboden gescharrt. Dabei kam offenbar Wassereis zum Vorschein, das innerhalb weniger Tage sublimierte. Probleme bereitete hingegen die Spektralanalyse der Bodenproben im TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer) Instrument. Dieser Massenspektrometer verfügte über acht „Öfen“, in denen die Proben erhitzt werden sollten. Doch erwies es sich als unerwartet schwierig, die Proben in die Kammern zu befördern. Vermutlich aufgrund ihrer Restfeuchte klebten die Partikel an dem Rost, der zu große Teile im Probenmaterial fernhalten sollte. Am 11.06.2008 war die erste Kammer endlich gefüllt, doch konnte kein Wassereis in der Probe nachgewiesen werden. Da zwischen den Entnahme des Materials und der Analyse aber mehrere Tage lagen, wurde nicht ausgeschlossen, daß eventuell vorhandenes Wassereis inzwischen sublimiert war. Dennoch konnte die mineralogische Zusammensetzung des Materials gut bestimmt werden. Und auch das Wet Chemistry Laboratory (WCL) gab Aufschluß über den wasserlöslichen Anteil des untersuchten Marsbodens. Wie die Analysen ergaben, ähnelte das entnommenen Material Bodenproben trockener Hochtäler in der Antarktis. Der pH-​Wert war basisch. Nachgewiesen wurden diverse Salze, darunter Natrium, Magnesium, Kalium und Chlorid, was als Indiz für die frühere Anwesenheit von flüssigem Wasser gewertet wurde. Schließlich gelang auch der direkte Nachweis von Wasser in einer der Proben. Parallel zu den Untersuchungen des Marsbodens arbeitete „Phoenix“ auch als meteorologische Station und lieferte 360° Panoramabilder von der Landestelle. Nachdem innerhalb der vorgesehenen 90 Tage auf dem Mars die primären Missionsziele erreicht waren, riskierte man im Kontrollzentrum etwas mehr. So wurde ein kleiner Felsbrocken mit der Schaufel beiseite geschoben, um an eine Probe des darunterliegenden Bodens zu kommen. Ende Oktober 2008 näherte sich die wissenschaftliche Mission von „Phoenix“ aber ihrem Ende. Der niedrige Sonnenstand reichte nicht mehr aus, um die Batterien aufzuladen. Nur noch sporadisch war der Empfang von Telemetriedaten möglich, der Betrieb der Instrumente war bereits eingestellt. Am 02.11.2008 brach der Funkkontakt dann endgültig ab und am 10.11.2008 erklärte die NASA die Mission für beendet. Einen Monat später sorgte „Phoenix“ nochmals für Aufsehen, als ein Team von Wissenschaftlern vermeldete, daß der Nachweis von flüssigem Wasser gelungen sei. Auf einigen der von „Phoenix“ übertragenen Fotos waren Wassertropfen auf den Landebeinen der Sonde zu erkennen, die ihre Größe und Form veränderten, miteinander verschmolzen und sich an den Streben hinab bewegten. Was angesichts von Temperaturen unter –20° C zunächst unwahrscheinlich erschien, konnte durch den Nachweis hoher Perchlorat Konzentrationen im Boden nachvollzogen werden. Bei entsprechend hoher Beimischung dieser Salze war flüssiges Wasser bis –70° C denkbar.
Obwohl die Chancen dafür, daß „Phoenix“ den Marswinter mit Temperaturen unter –125° C überlebt haben könnte, extrem gering waren, begann die NASA im November 2009 damit, mit der HiRISE Kamera an Bord des MRO nach dem Lander Ausschau zu halten. Die ersten Bilder zeigten „Phoenix“ noch unter einem Eispanzer, der den Berechnungen zufolge eine Dicke von bis zu 20 cm erreicht haben könnte. Anfang 2010 wurde gezielt begonnen, nach einem Funksignal des Landers zu fahnden. Doch ohne Erfolg. Dafür zeigten Fotos des inzwischen aus der eisigen Umklammerung aufgetauten „Phoenix“ ein Veränderung seines äußeren Erscheinungsbildes. Auch wenn die Kameraauflösung nicht ausreichte feinere Details zu unterscheiden, schien es doch, als sei eine der Solarzellenflächen abgebrochen. Am 21.05.2010 wurden die Kontaktversuche aufgegeben.