Sample return mission
Na een reis van ongeveer tien maanden moet Phobos-Grunt aankomen bij de planeet Mars. Op dat moment zal Phobos-Grunt ook zijn Chinese passagier Yinghuo-1 loskoppelen. Vanuit een baan om Mars zal het Russische ruimtetuig vervolgens de planeet en zijn kleine maantjes enkele maanden nauwkeurig bestuderen door middel van twintig verschillende wetenschappelijke instrumenten. Onder deze instrumenten bevindt zich het Chinese Soil Offloading and Preparation System (SOPSYS) dat ontwikkeld werd door de Hong Kong Polytechnic University. De landing op Phobos is uiteindelijk voorzien voor februari 2013. Dit complexe manoeuvre zal uitgevoerd worden door middel van een laser-hoogtemeter en radar-systemen. Het verzamelen van de bodemstalen op Phobos zal twee tot zeven dagen duren waarna een kleiner tuigje zal gelanceerd worden richting Aarde. Dit tuigje heeft een snelheid nodig van 35 kilometer per uur om zich los te kunnen maken van de aantrekkingskracht van Phobos. Uiteindelijk moet dit kleine tuigje in augustus 2014 opnieuw aankomen bij de Aarde waarna een terugkeercapsule zal losgekoppeld worden met daarin de bodemstalen. Het achtergebleven moederschip zal ondertussen op Phobos wetenschappelijke data naar de Aarde blijven doorsturen. De totale kostprijs van de Phobos-Grunt wordt geschat op 163 miljoen dollar. NASA's plannen om bodemstalen van Mars naar de Aarde te brengen hebben een prijskaartje van 10 miljard dollar. Dit is niet de eerste keer dat Rusland een 'sample return mission' lanceert naar Mars. Twee ruimtetuigen die in 1988 gelanceerd werden, slaagden niet in hun opzet en de mislukte lancering van de Mars 96 ruimtesonde in november 1996 zorgde er uiteindelijk voor dat Russische toekomstige Marsmissies in de koelkast terecht kwamen.

Micro-organismen naar Mars
Een opmerkelijk experiment dat met Phobos-Grunt meereist naar de planeet Mars is het Living Interplanetary Flight Experiment (LIFE). Dit is een kleine capsule waarin zich 10 soorten micro-organismen bevinden. De bedoeling van dit experiment is dat deze capsule samen met de bodemstalen van de Marsmaan Phobos opnieuw naar de Aarde gebracht worden. Met dit experiment wil de Amerikaanse Planetary Society onderzoeken of micro-organismen een interplanetaire reis van drie jaar doorheen het zonnestelsel kunnen overleven. Het LIFE-experiment is volgens sommigen een schending van het Outer Space Treaty aangezien er een kans bestaat dat de organismen de Marsmaan Phobos kunnen besmetten indien Phobos-Grunt zou neerstorten op de kleine maan.
China voor het eerst naar Mars
Phobos-Grunt is niet het enige ruimtetuig dat naar Mars gestuurd werd op 8 november 2011. Samen met deze Russische ruimtesonde werd ook de eerste Chinese Marsverkenner, genaamd Yinghuo-1, in de ruimte gebracht. Yinghuo-1 zal samen met Phobos-Grunt naar Mars reizen waarna het Chinese ruimtetuig zal losgekoppeld worden van Phobos-Grunt eenmaal beide tuigen zijn aangekomen bij de 'rode planeet'. De Chinese Marsverkenner heeft een gewicht van 115 kilogram en is 75 op 75 op 60 centimeter groot. Het doel van deze eerste Chinese Marsmissie is om het magnetisch veld, het oppervlak en de ionosfeer van Mars te onderzoeken. Hiervoor werd Yinghuo-1 uitgerust met vier wetenschappelijke instrumenten. Dit is de eerste keer dat China een ruimtesonde stuurt naar een andere planeet.