Czwarta amerykańska sonda przeznaczona do badania komety, pierwszy obiekt, który zderzył się z jądrem komety. Realizowany w ramach programu Discovery jako misja Discovery-8.

Deep Impact składał się z członu macierzystego (typowa sonda przelotowa) oraz członu przeznaczonego do uderzenia w jądro komety (impaktor). Przed zderzeniem impaktor wykonywał zdjęcia, jak w księżycowych misjach Rangera-7, 8 i 9. Sam proces zderzenia oraz powstały krater został sfotografowany przez człon macierzysty sondy. Rakieta nośna: Delta 2 (model 7925-9.5), miejsce startu: Cape Canaveral, wyrzutnia SLC-17B, masa startowa 1020 kg (w tym 370 kg "impaktor"). Sonda przelotowa zasilana jest z baterii słonecznych (o powierzchni 7,84 metrów kwadratowych) generuje do 620 W energii elektrycznej, impaktor z baterii o pojemności 250 Ah. Zapas paliwa (hydrazyny) to 86 kg (sonda) i 8 kg (impaktor).

W skład aparatury naukowej weszły trzy urządzenia:
 

HRI (High-Resolution Instrument) - 30-centymetrowy teleskop wąskokątny dostarczający do kamery multispektralnej i spektrometru podczerwieni obraz fragmentu powierzchni komety o rozdzielczości lepszej niż 2 metry/piksel z odległości 700 km. MRI (Medium-Resolution Instrument) - 12-centymetrowy teleskop szerokokątny dostarczający obraz w zakresie widzialnym całości jądra komety o rozdzielczości 10 metrów/piksel z odległości 700 km. ITS (Impactor Targeting Sensor) - umieszczony w impaktorze teleskop identyczny z MRI (jedynie nie wyposażony w filtry), dostarczający obraz w zakresie widzialnym  fragmentu powierzchni komety o rozdzielczości 20 cm/piksel z odległości 20 km.

Pierwotnie start planowano na 02.01.2004, w styczniu 2005 miał się odbyć manewr grawitacyjny w pobliżu Ziemi, a dolot do celu 04.07.2005. Ostatecznie zrezygnowano z tego dodatkowego okrążenia Słońca: po starcie 12 stycznia 2005 roku sonda poleciała bezpośrednio ku komecie 9P/Tempel 1, by spotkać się z nią także 4 lipca 2005. Do spotkania doszło w odległości 1,5 AU od Słońca. W dniu 3 lipca od sondy oddzielony został impaktor, który następnego dnia uderzył (o 05:52) w jądro komety z prędkością 10,2 km/s. Wykonany głównie z miedzi (49%) impaktor wytworzył energię 19 gigadżuli (ekwiwalent wybuchu 4,5 tony TNT), wybijając krater o głębokości "od 2 do 15 pięter". Użycie miedzi jako materiału kruszącego impaktora służyło łatwemu rozpoznaniu wprowadzonych zanieczyszczeń w materiale wyrzuconym z krateru. Zanim impaktor rozbił się o kometę, przesłał ok. 35 zdjęć, które służyły zarówno celom nawigacyjnym, jak i naukowym - były to najbardziej szczegółowe obrazy powierzchni jądra kometarnego w historii badań komet, dopóki lądownik Rosetty nie wyląduje na jądrze komety Czuriumowa-Gierasimienki. 14 minut po uderzeniu impaktora człon macierzysty przeleciał w odległości 500 km od jądra wykonując dokładne zdjęcia efektów uderzenia. Deep Impact  po wykonaniu swej misji pozostanie na orbicie heliocentrycznej pomiędzy orbitą Ziemi i Marsa.

W chwili uderzenia sonda przelotowa znajdowała się w odległości ok. 10 000 km od jądra komety. Fotografowanie wyrzutu rozpoczęło się 1 minutę przed uderzeniem (E). W E+10 minut rozpoczęło się fotografowanie krateru (z odległości 4 000 km). Potrwało ono aż do TCA-50 sekund (E+961 sekund, odległość 700 km). Wówczas sonda obróciła się o 45°, osłoną przeciwmeteoroidową w kierunku lotu. Największe zbliżenie (500 km) nastąpiło w chwili E+1115 sekund. W E+1270 sonda ponownie obróciła się aparaturą naukową w kierunku krateru i kontynuowała fotografowanie. W E+3000 sekund rozpoczęła się transmisja danych na Ziemię, oddaloną o 0,89 AU (czas lotu sygnału 400 sekund), choć część zdjęć była retransmitowana z impaktora poprzez sondę przelotową na żywo.

Przebieg lotu:

24.11.2004 planowany na 30.12.2004 o 19:39:42 termin startu przesunięto na 08.01.2005 o 18:39:50 lub 19:19:12.

14.12.2004 termin startu przesunięto na 12.01.2005 o 18:08:20 lub o 18:48:04.

06.01.2005 start wyznaczono na 12.01.2005 o 18:47:08.

12.01.2005 o 18:47:08,574 nastąpił start. W T+36' nastąpiło odłączenie od RN i sonda weszła na orbitę heliocentryczną o parametrach: hp=0,981 AU, ha=1,628 AU, i=0,6°. Blisko 2 godziny trwało potwierdzanie, że panele baterii słonecznych zostały rozłożone. Okazało się, że sonda z powodu nieco wyższej niż zakładano temperatury w sekcji silnikowej, weszła krótko po starcie w stan safe-mode. Nie zagroziło to w żaden sposób przebiegowi misji, załadowanie oprogramowania z wyższymi limitami temperatur spowodowało przywrócenie normalnego trybu pracy w dniu następnym.

11.02.2005 wykonano korektę Deep Space Burn (TCM-1). Trajektoria jest na tyle dobra, że zaplanowany na 31.03. manewr TCM-2 został odwołany. Jedynym problemem jest niemożliwość dokładnego zogniskowania teleskopu HRI. Wygrzewanie zawartej w nim pary wodnej nie dało zadowalających rezultatów.

25.04.2005 sonda przekazała pierwszą fotografię komety docelowej, wykonaną z dystansu 64 milionów kilometrów.

05.05.2005 o 19:00 wykonano 95-sekundową korektę orbity TCM-3A, która zmieniła prędkość sondy o 5,05 m/s.

23.06.2005 wykonano korektę TCM-3B - zmiana prędkości wyniosła 5,82 m/s.

03.07.2005 o 00:07 ERT wykonano korektę TCM-4 (30 sekund, dV=3,6 m/s). O 05:11 ERT impaktor przeszedł na własne zasilanie. O 06:07 odebrano potwierdzenie oddzielenia impaktora (w odległości 880 000 km od celu) z prędkością 35 cm/s. O 06:17 nawiązano łączność z impaktorem. O 06:19 ERT rozpoczęto 775-sekundowy manewr odchylający sondy przelotowej (zmiana prędkości wyniosła ok. 116,7 m/s).

04.07.2005 o 04:21 ERT wykonano ITM-1 (manewr celujący impaktora) trwający 20 sekund. ITM-2 wykonano o 05:17 ERT. Fotografia jądra komety Tempel 1. Miejsce planowanego uderzenia. Manewr ITM-3 (44 sekundy) wykonano o 05:39 ERT.

Ostatnie zdjęcie zostało nadane na 3,7 sekundy przed trafieniem w powierzchnię komety, które nastąpiło o 05:52:15,0 ERT (w rzeczywistości o 05:44:58). Przelot przez komę trwał od 06:05 do 06:08 ERT, największe zbliżenie (TCA) nastąpiło o 06:06 ERT. Jedno z pierwszych zdjęć uderzenia. Kolejna fotografia zderzenia.

20.07.2005 wykonano manewr TCM-4.

09.08.2005 sonda została "uśpiona".

03.07.2007 NASA podała nowe cele modułu przelotowego sondy, przemianowanej na EPOXI. W ramach projektu DIXI (Deep Impact Extended Investigation) zbada ona kometę Boethin, realizując część programu naukowego nieudanej misji CONTOUR. W ramach projektu EPOCh (Extrasolar Planet Observation and Characterization) zbada przejścia przed tarczami kilku najbliższych gwiazd ich planet gigantów, próbując odkryć ich ewentualne pierścienie, satelity i planety wielkości Ziemi. Projekt EPOCh będzie realizowany przed dolotem do komety.

26.09.2007 sonda została "przebudzona".

01.11.2007 sonda wykonała korektę lotu TCM-9 (t=3').

05.11.2007 zmieniono cel sondy. Ponieważ nie udało się zaobserwować komety Boethina (ostatnio widziano ją w 1986 roku), nowym celem będzie kometa 103P/Hartley 2.

31.12.2007 o 19:29:20,6633 sonda przeleciała w pobliżu (15 567,626 km, zaś wg innych danych 19310 km) Ziemi (manewr EFB-1). W wyniku przelotu orbita sondy zmieniła się z hp=0,98 AU, ha=1,64 AU, i=0,7° na hp=0,91 AU, ha=1,09 AU, i=4,2°.

W dniach 17-29.02.2008 sonda znajdowała się w stanie safe mode z powodu zbyt wysokiej temperatuy w jednym z żyroskopów odczas wykonywania manewru orientacji.

19.06.2008 sonda wykonała korektę lotu TCM-12.

~15.12.2008 sonda wykonała korektę lotu TCM-13.

29.12.2008 o 21:39:57 sonda wykonała manewr grawitacjny (EFB-2), przelatując w odległości 49831 km od środka Ziemi.

29.06.2009 o 07:42:41 sonda wykonała manewr grawitacjny (DEFB-1), przelatując w odległości 1336703 km od Ziemi.

28.12.2009 o 10:19:45 sonda wykonała manewr grawitacjny (DEFB-2), przelatując w odległości 1323959 km od Ziemi.

27.06.2010 o 22:03 sonda wykonała manewr grawitacjny (EFB-3), przelatując w odległości 30480 km od Ziemi. W zmiany prędkości o 1,5 km/s orbita sondy zmieniła się z hp=0,97 AU, ha=1,03 AU, i=6,6° na hp=0,98 AU, ha=1,22 AU, i=3,2°.

29.09.2010 sonda wykonała korektę lotu TCM-20 (t=60", dV=1,53 m/s).

27.10.2010 o 18:00 sonda wykonała korektę lotu TCM-21.

02.11.2010 sonda wykonała korektę lotu TCM-22 (t=6,8", dV=1,4 m/s).

04.11.2010 około 14:01 sonda przeleciała z prędkością około 44352 km/h w odległości około 700 km od komety 103P/Hartley 2.

30.11.2010 nastąpiło zakończenie misji EPOXI.

24.11.2011 wykonano manewr korekty orbity (t=140", dV=8,8 m/s).

Na początku 2012 roku postanowiono rozpocząć kolejną misję rozszerzoną - przelot w pobliżu planetki 2002 GT w styczniu 2020 roku.

04.10.2012 o 20:00 wykonano manewr korekty orbity (t=71", dV=2 m/s).

Pomiędzy 11 a 14.08.2013 utracono kontakt z sondą (ostatnie dane napłynęły 08.08.2013).

30.08.2013 ustalono, że z powodu błędu w oprogramowaniu komunikacyjnym sonda utraciła orientację.

20.09.2013 misję uznano za zakończoną.