在古代火星就已經是人類最為關注的天體之一，由於它在天空是一顆紅色的亮星，自古就被視為災難的代表，直到十九世紀天文學家才通過望遠鏡首次觀望到了火星模糊的外表，甚至德國天文學家還描繪出了首張火星地圖（下圖），也就是這個時候開始流傳出火星上有人工運河的說法，雖然現在很難想像十九世紀的人當發現火星上有河流痕跡時的興奮，但這顆紅色行星從此也成為人類最想了解的外星球。
NASA在上世紀六十年代發射的「水手4號」成為首個進入火星軌道的探測器，傳回22張火星照片讓人們看到了火星表面的真實樣子，但火星荒涼且布滿隕石坑的地貌也徹底打破了人類對於「火星文明」的幻想，不過也證實了火星表面確實有河流和湖泊的痕跡，這更激起了人類解開火星神秘面紗的願望。
隨後1971年NASA又發射了「水手9號」成為首枚環火星運行的探測器，這枚探測器在火星軌道上傳回了7329張火星照片，這些並不清晰的黑白圖像顯示了火星表面溝壑縱橫的河床和巨大的火山口，其中火星上最注目的水手峽谷就是由「水手9號」發現的，也首次拍攝到了火衛一和火衛二的照片，一系列發現讓人們把目光從當時火熱的登月逐漸轉向了火星。
NASA在1975年發射的「海盜1號」和「海盜2號」先後都成功進入了預定火星軌道，科學家嘗試在探測器上攜帶能降落到火星表面的著陸器，也為後來的火星車登陸提供了許多技術上的數據，其中「海盜1號」拍到了讓全世界震驚的「火星之臉」，因此人們認為火星上的運河就是存在過文明的證據之一。
同時海盜1號投放的登陸器也成功降落在火星表面，讓人們看到了首張彩色的火星地面圖像，此時也正值火星的夏季，登陸器還拍到了火星太陽落山時的陽光照到紅土上的圖像，根據對土壤的樣本分析發現火星土壤中含有大量褐鐵礦，這種礦物是由水在氧化環境下形成的產物也是造成土壤發紅的原因，也證實了火星在遠古時期是一個有水和氧氣的行星。
NASA為了更好繪製火星全球地貌，在1996年又發射了全球探勘者號（MGS）軌道衛星，這顆火星軌道衛星攜帶了MOC相機能在高空拍攝出更清晰的圖像，而且能更加清晰地顯示出河床和一些隕石坑裡的細節，火星全球探勘者號還在火星表面發現了液態水存在的痕跡，一直運行到2006年因太陽能面板故障而失聯。
為了從火星地表中找到生命存在的痕跡，NASA在1997年發射了首輛可以移動的火星車——旅居者號，這也是人類首個在外星球上自由行動的探測器，雖然這輛重達10.5公斤的火星車在三個月裡只行進了100米，但它使用的降落方式和探測器結構一直延用到現在。
歐洲航天局也在2003年發射了火星軌道衛星「火星快車」和登陸器「小獵犬2號」，其中「火星快車」順利進入軌道並一直運行到現在，而「小獵犬2號」登陸器在投放後就直接失聯了，具體原因至今還沒結論，而正常運行的「火星快車」拍攝了大量的火星照片，並且在火星兩極地區還發現了含水量巨大的冰湖，解決了未來人類登陸火星的水源問題。
在旅居者號成功的前提下，NASA在2004年發射了兩輛相同的火星車「勇氣號」和「機遇號」，許多照片顯示火星上有大量河流衝刷的痕跡，火星車的目標就是在隕石坑的土層中找到水，兩輛原本只運行90天的火星車分別在2011年和2018年因車輪被卡住和被沙塵暴覆蓋而失聯，其間傳回了數萬張火星地表照片證實了火星表面曾長期存在水。
為了彌補火星車較弱的挖掘能力，NASA專門設計了不能移動的「鳳凰號」以及後來外表相同的「洞察號」，這種火星車攜帶有較強的挖掘探頭只能探索著陸點的土壤樣本，「鳳凰號」就在著陸點地的土壤中挖出了冰，而「洞察號」在著陸後多次鑽探受阻，導致工作開展十分緩慢，不過依然檢測到火星的內部有地質活動的震動。
而NASA在2005年發射的火星勘測軌道飛行器（MRO）則攜帶了高解析度相機，由於拍攝的效果能精確到0.3米，我們目前看到的火星高空圖像大多來自這枚軌道飛行器，能清晰地體現出火星上各種不同的地貌情況，而且還檢測到火星大氣在進入夏季時出現甲烷和氧氣增加的情況，根據這些信息科學家分析認為火星地表下依舊有生物在活動。
目前在火星上能移動的火星車只剩下「好奇號」，這輛高科技滿滿的火星車在2012年著陸後一直正常運行到現在，雖然已經嚴重超出設計運行的上限，但除了車輪有磨損和電池功率下降以外，「好奇號」身上的主要設備基本運行正常，車身900公斤的重量也是人類進行遠程投放的最重物體，當然「好奇號」也不負眾望完成了許多重要任務，傳回了數萬張照片中發現了許多充滿爭議的事物，也是人們堅信火星上曾出現過生命的原因。
2020年是一個火星探索的最佳時期，除了歐空局和俄羅期共同研製的探測器宣布延期以外，目前已經有阿聯的「希望號」探測器成功發射，而中國的「天問一號」和NASA的「毅力號」也在進行最後的升空準備，未來火星探索將進入多枚探測器共存的新時代，這一切將為以後載人登陸火星提供更多的數據資料。
人類從上世紀探索火星開始，關於火星上是否有生命的爭論就從沒停止過，如今有更多的探測器將出現在火星上，是否能找到火星上的生命或者智慧文明的痕跡呢？
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