Utforskningen av Mars påbörjades redan i antiken och tog fart på 1600-talet då de första teleskopen konstruerades. Mars är jordens näst närmaste planetariska granne, och under lång tid har det spekulerats i om det funnits liv på Mars och att det kanske till och med funnits intelligenta civilisationer där. Över tiden har förfinade teleskop och mätutrustning gett forskarna kontinuerligt bättre förståelse om planeten. Försök att skicka rymdsonder till "den röda planeten" har pågått sedan 1960-talet. Det visade sig vara mycket svårt att besöka planeten, av ett 40-tal sonder som skickades upp till och med år 2011 fungerade endast hälften som planerat. De sonder som nått sitt mål har dramatiskt ökat forskarnas kunskap om planetens geologi och eventuella biologi.
Äldre utforskning från jorden Mars är periodvis mycket tydligt synlig med blotta ögat från jorden, som en klart lysande röd stjärna, och var tidigt känd som "eldstjärnan", och förknippades senare med krigsgudomligheter. I likhet med övriga då kända planeter verkade Mars att vara en stjärna som ändrade läge i förhållande till de flesta stjärnorna, fixstjärnorna, som verkade att vara i låsta positioner jämfört med varandra. Den första "utforskningen" kan sägas vara försök att systematiskt beskriva Mars rörelse bland fixstjärnorna, och i förhållande till solen.
Mars rörelse thumb|400px|Planeten Mars skenbara rörelse bland fixstjärnorna vid oppositionen år 2003. Mars står som högst över horisonten vid midnatt, och syns tydligast, när planeten befinner sig i opposition, det vill säga, när solen, jorden och Mars (i den ordningen) i det närmaste befinner sig på en linje. Det var inte svårt att konstatera att tiden mellan två oppositioner (Mars synodiska omloppstid) är cirka 780 dagar, det vill säga, två år och knappt två månader. Däremot tycks Mars befinna sig nära olika fixstjärnor vid olika oppositioner.
Oftast tycks Mars ha rört sig litet i östlig riktning från natt till natt. När Mars var som närmast solen gick planeten inte att observera, men man kunde sluta sig till att detsamma gällde då. Vid opposition tycks dock planeten bromsa in, röra sig i motsatt (västlig) riktning någon månad, bromsa in, och åter röra sig österut. Denna retrograda rörelse återkom vid varje opposition, på ett ganska regelbundet sätt, men den var svårförklarad. Den antika matematikern och astronomen Apollonios från Perga föreslog att planeterna samt solen och månen inte exakt rörde sig i cirkelbanor runt jorden, utan i stället rörde sig i (oftast mindre) epicykler vars centra i sin tur rörde sig i cirkelbanor. Astronomen Ptolemaios utvecklade och förfinade teorin i sitt huvudverk Almagest.
Med hjälp av cirkelbanor som var excentriska (alltså med centra på annat ställe än jorden), epicykler på dessa, och till och med epicykler på epicyklerna, fick man så småningom en teori för planetrörelserna, som inte helt stämde med observationerna, men låg rätt nära. Femtonhundratalsastronomen Tycho Brahe drev noggrannheten och systematiken ännu längre, och åstadkom de såvitt känt bästa mätvärdena någonsin för planetlägen som fastställts utan teleskop. Han höll fast vid Ptolemaios uppfattning att jorden var stillastående, med motiveringen att man annars borde kunna uppmäta årliga skenbara rörelser bland fixstjärnorna. (Sådana lyckades man också senare påvisa med hjälp av teleskop, men först på 1700-talet.) Hans medhjälpare och efterföljare Kepler ansåg detsamma, och utarbetade en ytterligare förfinad epicykelteori, som skulle förklara Brahes mätdata. Han lyckades dock inte riktigt att på detta sätt förklara Brahes värden för Mars. Kepler prövade då andra modeller, och lyckades med en, där Mars rör sig i en elliptisk bana med solen i ena brännpunkten, med proportionellt högre hastighet när Mars är närmare solen i sin bana. (Se vidare Keplers lagar!) Denna nya heliocentriska modell stämde perfekt med Brahes data.
I och med publiceringen år 1609 av sitt verk Astronomia nova hade alltså Kepler löst problemet med Mars rörelse, så när som på en skalfaktor. (Senare utvidgade han lösningen till övriga då kända planeter.) Mars läge i förhållande till solen var i princip bestämt vid varje tidpunkt, till riktning och till antalet astronomiska enheter, alltså som ett tal gånger jordens medelavstånd till solen. Under de följande århundradena lyckades astronomerna med olika metoder bestämma bättre och bättre värden på detta avstånd.
Mars månar och massa År 1877 upptäcktes Mars två månar och deras banor och omloppstid bestämdes. Med hjälp av Newtons gravitationslag kunde man därmed också bestämma ett värde på Mars massa.
Mars utseende, rotationstid och topografi Med de bättre teleskopen under 1800-talet blev det möjligt att studera utseendet av Mars närmare. Detta gjordes av bland andra Giovanni Schiaparelli. Det var rätt lätt att se tydliga mönster, som rörde sig över synfältet och återkom periodiskt. Schiaparelli namngav marsformationer, efter mönster av månformationer. Han föreslog också ett (polärt) koordinatsystem för Mars, som väsentligen är det som används idag. Redan tidigare kunde Johann Heinrich von Mädler och Wilhelm Beer med liknande metoder beräkna planetens omloppstid, som så småningom kunde bestämmas med mycket stor noggrannhet.
Utseendet var inte konstant. Det förekom vissa årstidsväxlingar, som påminde om de som jordisk grönska genomgår. År 1958 ansågs det fortfarande troligt att "någon slags primitiv växtlighet" gav upphov till den gröna färg man kunde iaktta i vissa områden. (Denna tanke har inte alls fått stöd av senare marssondsforskning.) Det förekom också att bilden blev suddigare och markant röd. Detta förklarades som enorma sandstormar, vilket också förutsatte någon form av atmosfär. (Bådadera har senare bekräftats av marssonder.) Vidare kunde man i slutskedet av en sådan sandstorm se att vissa detaljer åter blev synliga tidigare än de övriga, bland annat vad Schiapelli kallade Nix Olympus, vilket han ansåg visade att denna formation (som idag heter Olympus Mons) höjde sig över omgivningen.
Genom noggrann analys av ljus och annan elektromagnetisk strålning kunde man uppskatta atmosfärens utbredning och sammansättning, liksom temperaturförhållandena vid planetens yta. Spektroskopi gav upplysningar om gaser som ingick i atmosfären. Mars syntes större i violetta våglängder än i röda, vilket förklarades med att violett men ej rött ljus reflekterades av atmosfären. Storleksskillnaden tydde på att atmosfärens höjd var cirka 190 kilometer. Infraröd strålning gav upplysningar av temperaturförhållandena.
Tidiga resor På 1960-talet blev utforskningen av närliggande planeter och månar en högprioriterad aktivitet för framför allt USA och Sovjetunionen. Kalla kriget rådde och rymdkapplöpningen mellan de båda supermakterna var i full gång.
Tidiga sovjetiska försök miniatyr|Denna bild tagen av Mariner 4 var den första närbilden någonsin tagen av Mars.
Sovjetunionen var de första som försökte skicka rymdsonder till Mars. Den första farkosten hette Marsnik 1, men den lyckades aldrig komma högre än 120 km från jorden på grund av ett fel på raketen som sköt upp sonden. Det gjordes ytterligare ett försök med Marsnik 2, men den fick samma problem vid uppskjutningen som Marsnik 1. Efter att USA börjat visa intresse för planeten väntade Sovjetunionen med att skicka ytterligare farkoster till Mars och inriktade sig istället på Venus.
Marinerprogrammet Den amerikanska sonden Mariner 4 var den första rymdsonden som nådde Mars 1965 vid en förbiflygning. Dess tvillingsond, Mariner 3 kraschade i havet strax efter start. Mariner 4 skickade hem 21 bilder av ytan och bekräftade att Mars har en mycket tunn atmosfär. Spekulationerna om konstgjorda kanaler på Mars tystnade efter att bilderna offentliggjorts.
Fyra år senare anlände Mariner 6 och 7 till Mars. De var mycket mer avancerade än Mariner 4. De analyserade atmosfären och tog närbilder av ytan. Alla dessa sonder missade vulkanerna, ravinerna och floddalarna.
Nästa sond, Mariner 9, gick in omloppsbana runt Mars 1971 och blev den första rymdfarkosten i omloppsbana runt en annan planet. Precis som för Mariner 4 kom dess tvillingsond inte fram till Mars. När Mariner 9 kom fram var planeten täckt av en dammstorm. När det klarnade började Mariner 9 sända hem data om Mars. Sonden var byggd för att fungera i 90 dygn men den kom att fungera i ett helt år. Ravinen Valles Marineris fick sitt namn efter denna banbrytande sond. Ett par bilder visade för första gången spår av vatten som runnit över planetens yta.
Landare och senare uppdrag Det sovjetiska Marsprogrammet År 1969 förberedde Sovjetunionen en ambitiös 5-tons kretsare kallad M-69. Två kopior av denna sond försvann i misslyckade uppskjutningsförsök med en ny och kraftfull Protonraket.
År 1971, kort efter misslyckandet med att skjuta upp Kosmos 419, sände Sovjetunionen upp både Mars 2 och Mars 3, nästan ett årtionde efter uppskjutningen av Mars 1. Alla dessa sonder var delar av det sovjetiska Marsprogrammet. Sonderna Mars 2 och Mars 3 hade med sig en landare och båda anlände till Mars år 1971. Mars 2:s landare kom in atmosfären med en för brant vinkel, vilket gjorde att den kraschade mot ytan. Mars 3:s landare var mera lyckosam. Den nådde ytan men fungerade i endast 20 sekunder. Landaren var det första människoskapade föremålet som nådde Mars yta.
År 1976, sände Sovjetunionen ytterligare 4 sonder till Mars: Mars 4 och Mars 5 som skulle kretsa i banor runt Mars; Mars 6 och Mars 7, som förde med sig varsin landare. Den enda av dessa fyra rymdsonder som lyckades var Mars 5. Den lyckades sända 60 bilder innan sändaren gick sönder. Mars 6:s landare sände data under nerstigningen, men slutade sända innan den landade. Både Mars 4 och 7 missade planeten.
Vikinglandarna miniatyr|Viking 1:s landningsplats. Efter upptäckterna som gjordes med Mariner 9 ville man landa på ytan för att leta efter liv. Vikingsonderna sändes upp 1975 och kom fram 1976. Viking 1 landade på ett område som kallas Chryse Planitia (guldfälten). Dess första bilder visade ett stenigt ökenlandskap med en skär himmel. Viking 2 landade den 3 september. Den landade på Utopia Planitia.
Landarna var utrustade med kameror, meteorologiska instrument, jordbävningsdetektorer och magnetfältsdetektorer. Båda hade robotarmar för att samla in jord som sedan analyserades för att hitta liv. Även om resultaten var intressanta, gav experimenten inga bevis för att liv existerade eller hade existerat.
Fobosprogrammet Efter det ganska lyckade Marsprogrammet, sände Sovjetunionen år 1988 Fobos 1 och 2 till Mars för att studera dess månar Phobos och Deimos. Man förlorade kontakten med Fobos 1 på dess väg till Mars. Fobos 2 lyckades fotografera Mars och månen Phobos, däribland bilder där månen och Mars var med på samma bild.
Strax före den sista delen av uppdraget, då rymdsonden skulle flyga på en höjd av 50 m ovanför ytan och sätta ned två landare, en mobil enhet och en stationär plattform, förlorade man kontakten med rymdsonden. 27 mars 1989 avslutades Fobosprogrammet eftersom man inte längre kunde få kontakt med Fobos 2. höger|miniatyr|Denna bild från Mars Global Surveyor visar spår av vatten på Mars yta.
Mars Global Surveyor Efter misslyckandet med Mars Observer år 1992, tog NASA snabbt fram Mars Global Surveyor. Denna rymdsond var den första på två decennier att lyckas med det den var avsedd för vid Mars. Man sköt upp sonden den 7 november 1996 och gick in omloppsbana 12 september, 1997. I mars 1999, efter att i ett och ett halvt år arbetat med att komma i cirkulär bana, kunde huvuduppdraget påbörjas. Uppdraget var att från en låg höjd kartlägga hela Mars yta med hjälp av kameror. Detta klarade den på ett Mars-år (drygt två jordår). Mars Global Surveyors huvuduppdrag slutade 31 januari 2001 och den arbetar nu på övertid. Senaste kontakten med rymdsonden skedde 5 november 2006 och den beräknas krascha på Mars cirka 2050.