Wyniosła ona satelitę na orbitę transferową Hohmanna, osiągając prędkość 5,5 km/s względem Marsa i wysyłając satelitę w podróż o długości 669 milionów kilometrów.
Zbliżenie do Marsa Mars Climate Orbiter rozpoczął planowany manewr umieszczenia na orbicie 23 września 1999 roku o 09:00:46 UTC. Stracono z nim kontakt radiowy, gdy znajdował się za Marsem, o godzinie 09:04:52 UTC, 49 sekund wcześniej, niż się spodziewano.
Utrata sondy O 9:27:00 UTC sonda miała wyjść z cienia radiowego planety. Dwa dni później NASA poinformowała o utracie misji Mars Climate Orbiter (MCO). Zamiast znaleźć się na oczekiwanej wysokości 140-150 km nad powierzchnią planety, orbiter trafił na wysokość 57 km i wkrótce kontakt z nim został stracony. Sonda uległa zniszczeniu w atmosferze Marsa. 10 listopada 1999 NASA upubliczniła raport komisji powypadkowej. Przyczyną był błąd ludzki, a konkretnie użycie różnych jednostek przy wyznaczaniu trajektorii lotu sondy. Program przetwarzający instrukcje kontroli naziemnej używał jako jednostki siły anglosaskich (amerykańskich) funtów, podczas gdy oprogramowanie sondy używało jako jednostki siły metrycznych niutonów. Pomyłka stopniowo narastała w czasie podróży, ponieważ MCO miał niesymetryczną konstrukcję. W związku z tym pęd przekazywany przez światło słoneczne zwiększył moment pędu próbnika.