Celem misji jest zbadanie czy wodny lód pokrywający rejon bieguna mógł kiedyś podtrzymywać życie. Zamarzniętą wodę w czapach lodowych pokrywających bieguny Marsa wykryła sonda Mars Odyssey w 2002 r.
Od tego czasu w rejonach równika marsjańskiego wylądowało pięć próbników, w tym poruszające się po powierzchni planety roboty Spirit i Opportunity. Wykryły one ślady erozji wodnej.
Naukowcy spodziewają się, że - podobnie jak na Ziemi - skorupa lodowa w rejonach biegunów zawierać będzie warstwy świadczące o zmianach klimatu a także ewentualne ślady życia organicznego, być może nawet bakterie i mikroby.
Phoenix nie będzie bezpośrednio szukać tych śladów, ale powinien ustalić czy lód podbiegunowy występował kiedyś w formie płynnej, niezbędnej do podtrzymywania znanych form życia.
Próbnik wyposażony jest w niewielki piec do topienia próbek lodu i dokonania ich analizy chemicznej a także prześledzenia przemian jakim lód podlegał.
Naukowcy z ośrodka kierowania misją w Pasadenie mają nadzieję, że próbnik przetrwa ryzykowny manewr lądowania. Phoenix będzie musiał wyhamować z szybkości ok. 19 tys. km/godz do zera w ciągu zaledwie 7 minut. Manewr będzie musiał być wykonany automatycznie, bowiem sygnały radiowe z Ziemi docierają na Marsa dopiero po 15 minutach.
Powodzenie misji zależy też od tego czy próbnik prawidłowo rozłoży baterie słoneczne, które zapewnią dopływ energii. Własne baterie próbnika wystarczą tylko na 31 godzin.