從上世紀60年代起，人類開啟了對火星的探險之旅。目前，多國火星探測計劃已陸續拉開帷幕。
美國自上世紀60年代開始實施火星探測計劃。1962年至1973年間，美國航天局噴氣推進實驗室先後設計和建造了10枚「水手」號探測器，旨在探索太陽系深處，包括首次造訪火星、金星、水星等。1964年，美國先後向火星發射了兩枚探測器「水手3號」和「水手4號」。「水手3號」於11月5日發射升空，是美國發射的首枚火星探測器，原計劃飛越火星以獲取火星表面的照片，但由於太陽能電池板未能展開而無法正常工作，任務失敗。11月28日發射升空的「水手4號」是首個成功飛越火星並發回探測數據的探測器。它回傳了第一批火星表面照片，使人們看到一個充滿隕石坑、環形山的沉寂世界。1971年5月發射的「水手9號」，把人類對火星的探索帶入了環繞探測階段。這是人類第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器。
此後，火星探測進入了暫時的沉寂。直到上世紀90年代，美國重新掀起了探測火星的熱潮。
1996年11月發射的「火星全球探勘者」號探測器，次年進入環火星軌道，以繞飛火星的方式進行探測。在長達9年的火星歲月裡，這枚探測器取得諸多令人驚嘆的科學成就。它用雷射高度計獲取了迄今為止解析度最高的全部火星地形數據，至今仍是各種科學探測和研究的重要參考。
1996年12月，「火星探路者」號探測器發射升空，次年7月降落在火星表面，其攜帶的「旅居者」號火星車是人類成功登陸火星的第一輛火星車。「旅居者」號在火星上的行駛距離雖然只有100多米，但意義卻可比肩人類在月球上留下的第一個腳印。它傳回了大量關於火星表面的數據，為人類研究火星提供了重要資料。
進入21世紀後，美國於2001年成功發射了「火星奧德賽」探測器，首次發現火星地表下面存在水冰，這預示著火星上存在生命的可能性。「火星奧德賽」至今仍在進行科學探測並為火星上的著陸任務提供通訊中繼，是目前火星探測器裡「服役期」最長的一個。
2003年，美國第二代「雙胞胎」火星車「勇氣」號和「機遇」號相繼成功發射。與第一代火星車相比，第二代火星車性能大大增強，實現了對火星較大範圍的移動勘測。「勇氣」號和「機遇」號發現了火星上曾經存在水的證據，也讓科學家們獲取了對火星歷史上水文活動的詳細資料。
兩年後入軌的美國火星勘測軌道飛行器是當今全球最先進、最大的火星軌道器。它探測到的火星水資源分布信息，能夠為未來登陸火星的太空人提供幫助。
2018年11月，美國「洞察」號火星探測器在火星艾利希平原成功著陸，執行人類首次探究火星「內心深處」的任務，它攜帶的主要儀器有地震測量儀、溫度測量裝置以及「旋轉和內部結構實驗儀」，用於探究火星內核大小、成分和物理狀態以及火星內部溫度、「火星震」活動等情況。
本月30日，美國航天局「毅力」號火星車將發射升空，攜首架火星直升機「機智」號一同前往火星。按計劃，「毅力」號將於2021年2月在火星赤道以北的耶澤羅隕石坑著陸，任務包括尋找可能在火星上存在過的生命跡象，探索火星的氣候和地質特徵等。
「毅力」號將是美國造訪火星表面的第9個探測器，也是首個將從火星採集樣本並帶回地球的探測器，將為人類未來登陸和探索火星奠定堅實基礎。