หลังจากปล่อยขึ้นสู่อวกาศด้วยยานปล่อยMV รุ่นที่สาม ยานอวกาศ โนโซมิถูกส่งเข้าสู่วงโคจร วงรีรอบโลก โดยมีจุดใกล้โลกที่สุดที่ 340  กิโลเมตร และจุดไกลโลกที่สุดที่ 400,000  กิโลเมตร

ยานอวกาศใช้ การโคจร ผ่านดวงจันทร์ในวันที่ 24 กันยายน พ.ศ. 2541 และอีกครั้งในวันที่ 18 ธันวาคม พ.ศ. 2541 เพื่อเพิ่มจุดสูงสุดของวงโคจร^{[ 2 ]}

ยานอวกาศโคจรผ่านโลกเมื่อวันที่ 20 ธันวาคม พ.ศ. 2541 ที่จุดใกล้โลกที่สุดประมาณ 1,000  กิโลเมตร แรงโน้มถ่วงช่วยจากการบินผ่านโลก ประกอบกับการจุดจรวดเชื้อเพลิง คู่เป็นเวลา 7 นาทีทำให้โนโซมิเข้าสู่วิถีโคจรหลบหนีไปยังดาวอังคาร มีกำหนดจะถึงดาวอังคารในวันที่ 11 ตุลาคม พ.ศ. 2542 เวลา 7:45:14 น. ตามเวลาสากล แต่เนื่องจากวาล์วทำงานผิดปกติระหว่างการโคจรผ่านโลก ทำให้เชื้อเพลิงหมด และทำให้ยานอวกาศมีอัตราเร่งไม่เพียงพอที่จะไปถึงวิถีโคจรที่วางแผนไว้ การจุดจรวดเพื่อแก้ไขเส้นทางสองครั้งในวันที่ 21 ธันวาคม ใช้เชื้อเพลิงมากกว่าที่วางแผนไว้ ทำให้ยานอวกาศมีเชื้อเพลิงไม่เพียงพอ^{[ 2 ]}

แผนใหม่คือให้โนโซมิอยู่ในวงโคจรเฮลิโอเซนทริกต่อไปอีกสี่ปี รวมถึงการบินผ่านโลกสองครั้งในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2545 และมิถุนายน พ.ศ. 2546 และเข้าใกล้ดาวอังคารด้วยความเร็วสัมพัทธ์ที่ช้าลงในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2546 หรือ 1 มกราคม พ.ศ. 2547 ^{[ 2 ]}

เมื่อวันที่ 21 เมษายน 2545 ขณะที่ยานโนโซมิเข้าใกล้โลกเพื่อใช้แรงโน้มถ่วงช่วยในการโคจรผ่านโลกนั้นพายุสุริยะ ที่รุนแรงได้ สร้างความเสียหายให้กับระบบสื่อสารและระบบพลังงานบนยาน เกิดไฟฟ้าลัดวงจรในเซลล์พลังงานที่ใช้ควบคุมระบบทำความร้อนเพื่อควบคุมทิศทาง ทำให้ เชื้อเพลิง ไฮดราซีนแข็งตัว เชื้อเพลิงละลายเมื่อยานเข้าใกล้โลก และการโคจรเพื่อนำยานไปยังวิถีโคจรที่ถูกต้องสำหรับการบินผ่านโลกก็ประสบความสำเร็จ

เมื่อวันที่ 19 มิถุนายน 2546 ยานอวกาศได้โคจรผ่านโลกอีกครั้งในระยะไม่เกิน 11,000  กิโลเมตร เชื้อเพลิงละลายหมดแล้วสำหรับการโคจรครั้งนี้เนื่องจากยานอวกาศอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มาก อย่างไรก็ตาม เมื่อวันที่ 9 ธันวาคม 2546 ความพยายามในการปรับทิศทางยานเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการจุดเครื่องยนต์ขับดันหลักเพื่อเข้าสู่วงโคจรในวันที่ 14 ธันวาคม 2546 ล้มเหลวและความพยายามที่จะรักษาภารกิจไว้จึงถูกยกเลิก จึงได้มีการจุดเครื่องยนต์ขับดันขนาดเล็กในวันที่ 9 ธันวาคม ทำให้ระยะห่างที่ใกล้ที่สุดลดลงเหลือ 1,000  กิโลเมตร เพื่อป้องกันไม่ให้ยานสำรวจพุ่งชนดาวอังคารโดยไม่ตั้งใจและอาจปนเปื้อนดาวเคราะห์ด้วยแบคทีเรียจากโลก เนื่องจากยานโคจรไม่ได้มีจุดประสงค์ที่จะลงจอดและจึงไม่ได้ทำการฆ่าเชื้ออย่างเหมาะสม

ยานอวกาศลำนี้โคจรผ่านดาวอังคารเมื่อวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2546 และเข้าสู่วงโคจรแบบเฮลิโอเซนตริกซึ่งมีระยะเวลาประมาณ 2 ปี

ยานอวกาศ โนโซมิจะถูกส่งเข้าสู่วงโคจรของดาวอังคารที่มีความเยื้องศูนย์สูง โดยมีจุดใกล้ที่สุดกับพื้นผิว (periareion ) อยู่ที่ 300  กิโลเมตรเหนือพื้นผิว จุดไกลที่สุดกับพื้นผิว (apoareion) อยู่ที่ 15 เท่าของรัศมีดาวอังคาร และมุมเอียง 170 องศาเมื่อเทียบกับ ระนาบ สุริยวิถี หลังจากเข้าสู่วงโคจรไม่นาน เสาและเสาอากาศจะถูกกางออก จุดใกล้ที่สุดกับพื้นผิวจะลดลงเหลือ 150  กิโลเมตร และคาบการโคจรจะเหลือประมาณ 38.5 ชั่วโมง ยานอวกาศจะถูกรักษาเสถียรภาพด้วยการหมุนที่ 7.5 รอบต่อนาทีโดยแกนหมุน (และเสาอากาศจาน) ชี้ไปยังโลก ส่วนของวงโคจรที่จุดใกล้ที่สุดกับพื้นผิวจะช่วยให้สามารถวัดค่าเทอร์โมสเฟียร์และเอกโซสเฟียร์ ตอนล่างได้โดยตรง และตรวจวัดชั้นบรรยากาศตอนล่างและพื้นผิวจากระยะไกล ส่วนที่ไกลออกไปของวงโคจรจะใช้สำหรับการศึกษาไอออนและก๊าซที่เป็นกลางที่หลุดออกจากดาวอังคารและการปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะ ภารกิจตามแผนเดิมกำหนดไว้หนึ่งปีของดาวอังคาร (ประมาณสองปีของโลก) การขยายระยะเวลาปฏิบัติภารกิจอาจทำให้สามารถดำเนินงานได้นานสามถึงห้าปี ยานอวกาศลำนี้ยังจะหันกล้องไปยังดวงจันทร์โฟบอสและดีมอสของ ดาวอังคารด้วย