Definitywny kres misji przyszedł, gdy sonda była już prawie u celu. 9 grudnia 2003 chciano wprowadzić ją na orbitę Marsa, jednak nie powiodły się próby uruchomienia silnika. Nozomi została uznana za straconą. Odpalenie silniczków korekcyjnych pozwoliło jedynie sprawić, że 14 grudnia 2003 sonda przeleciała 900 km nad powierzchnią Marsa i nie mając łączności z Ziemią, weszła na orbitę heliocentryczną.
Niedoszła satelizacja Nozomi miała wejść na silnie wydłużoną orbitę okołomarsjańską. Jej perycentrum miało się znajdować około 300 km nad powierzchnią Czerwonej Planety, a apocentrum w odległości około 15 promieni Marsa. Nachylenie orbity miało wynosić 170° (w stosunku do ekliptyki). Wkrótce po wejściu na orbitę, rozłożone miały zostać wysięgniki i anteny sondy. Perycentrum miano obniżyć do 150 km, a okres orbity do 38,5 godzin. Niska część orbity miała służyć do bezpośrednich pomiarów termosfery i egzosfery Marsa. Wyższe partie orbity miały pozwalać na zbadanie materii uciekającej z Marsa (planeta ma dość słabą grawitację, pozwalającą na ucieczkę gazów z atmosfery) i jej interakcji z wiatrem słonecznym. Podstawowa misja Nozomi miała trwać około dwóch lat od wejścia na orbitę, czyli ok. jednego roku marsjańskiego.