著陸是火星任務中時間最短、強度最大的階段。當探測器到達火星大氣層頂部時，飛行速度接近每小時20000公里。而七分鐘後，它又要在火星表面靜止不動。要想在這麼短的時間內安全地從這麼大的速度降至零，同時著陸在一個狹窄目標，需要以一種非常謹慎、富有創造性和挑戰性的方式“猛踩剎車”。

在著陸過程中，需要11多分鐘才能從火星收到無線電訊號，所以當任務小組聽到航天器進入大氣層的訊息時，實際上火星車已經在地面上了。因此，火星車要自主地完成整個過程。

在進入大氣層之前，航天器點燃後殼上的小型推進器，以重新定位自己，確保隔熱罩面向前方，以迎接接下來的任務。

當航天器進入火星大氣層時，產生的阻力會使它急劇減速，但這些阻力也會使它急劇升溫。進入大氣層後80秒左右，隔熱罩的外表面溫度達到約1300攝氏度。然而，在隔熱罩內部，火星車的溫度只會達到室溫。

當飛船開始穿越大氣層下降時，會遇到密度不一的氣團，這會使飛船偏離軌道。為了彌補這一缺陷，它會啟動後殼上的小推進器來調整升力的角度和方向。這種“引導進入”技術有助於航天器保持在通往目標的路徑上。

隔熱罩將航天器減速至1600公里/小時以下。此時，開啟超音速降落傘是安全的。為了確定這一關鍵事件發生的時間，“毅力”號使用了一種新技術：射程觸發器，可以計算它與著陸目標的距離，並在理想的時間開啟降落傘以命中目標。

降落傘開啟20秒後，隔熱罩分離並脫落。探測器第一次暴露在火星大氣中，關鍵的攝像機和儀器可以開始鎖定下方。它的著陸雷達反射地表的訊號來計算它的高度。與此同時，另一項新的技術：地形相對導航也開始發揮作用。

地形相對導航可以讓漫遊者在下降過程中更準確地估算自己相對於地面的位置。攝像機快速識別火星表面的特徵，探測器將這些特徵與機載地圖進行比較，以確定它的確切方位。任務小組成員提前繪製了著陸區最安全的區域。

在火星稀薄的大氣中，降落傘只能將飛行器的速度降低到每小時320公里左右。為了達到安全著陸的速度，“毅力”號必須脫離降落傘，剩下的時間使用火箭降落。

當它離地表2100米時，它會拋下降落傘，並啟動下降階段的引擎。當下降階段減速到每小時2.7公里的速度時，它啟動了“空中起重機”的動作。著陸前約12秒，在離地面約20米的地方，下降臺將使用三根20米的電纜放下火星車。與此同時，火星車放下移動系統，將其腿和輪子鎖定在著陸位置。

一旦火星車感覺到它的輪子與地面接觸，它就會迅速切斷連線它和下降臺的電纜。這使得下降臺可以飛離地面，進行不受控制的著陸，與“毅力”號保持安全距離。