任务是寻找火星北极土壤中可能存在的生命特征，对浅层地下的水冰进行研究。探测器于2007年8月4日由“德尔塔”2号火箭（见“德尔塔”运载火箭）在卡纳维拉尔角发射场发射。探测器质量350千克，是一个由3条腿支持的平台，其中心是一个多面体仪器舱，舱左右两侧各展开一面正八边形太阳电池阵。舱顶安装各种科学仪器的探头、天线及机械臂，设计寿命为90天。探测器携带探测载荷包括热及析出气体分析仪、显微镜学、电化学及传导性分析仪、火星下降成像仪、表面立体成像仪、机械臂、机械臂照相机、气象探测仪等。

2008年5月25日，“凤凰”号探测器在火星位于北纬68°，东经234°的北极平原浅谷区域的瓦斯蒂塔斯-伯勒里斯成功着陆，进行现场土壤采样勘测和分析，成为第一个在北极地区成功着陆的探测器。2008年11月宣布任务结束。探测器探测到火星土壤样本中的水，发现了火星碱性土壤环境，探测到了盐、碳酸钙和高氯酸盐等化学物质。