身為歷史上航天強國的蘇聯及其繼承者俄羅斯，自然會對地球的近鄰火星青睞有加。但遺憾的是，雖經多番努力，蘇聯和俄羅斯的火星探測亮點不多，其一系列折戟沉沙的經歷倒是揭示出這一星際探測工程技術難度之高、風險之大，遠非近地空間探索或探月可比。尋找適合自身的多元化合作方式，是探測火星和其他遙遠天體的適當選項。
蘇聯火星探測的開端正值美蘇全球爭霸時期，在太空探索領域充滿冷戰的迴響，探月、考察火星、載人航天成了美蘇航天競賽的裡程碑賽段。除了冷戰意義以外，蘇聯科學界還認為火星自轉周期與地球相近、具有稀薄大氣等特點使其未來有望成為人類宜居星球，因此需深入了解火星。此外，在掌握航天和空間探測技術前，人類只能通過望遠鏡觀測火星，如此遠觀得到的知識需通過近探檢驗真偽。基於上述多重考量，蘇聯火星探測於20世紀60年代拉開帷幕。
然而探測火星不能說去就去，欲探火星，需先探月球，以積累經驗。在探月競賽中，蘇聯先聲奪人，在1959年1月率先發射「月球-1」探測器，飛掠月球，考察了月球磁場、月地間宇宙射線強度和太陽風。同年9月，蘇聯「月球-2」探測器首次實現月球表面硬著陸。這些探索為蘇聯製造火星探測器、操控其星際飛行打下了基礎。
1960年10月10日擔負率先考察火星任務的蘇聯「火星1960A」探測器，「坐」在一枚「閃電8K78」型4級中型運載火箭頂部，在拜科努爾發射場整裝待發。這顆探測器呈圓柱形，高約2米，重約0.65噸，具有兩個太陽能電池板和1個直徑為2.33米的高增益天線。其任務是測量火星磁場，記錄火星附近宇宙射線強度，考察沿途的微隕石，用光譜反射儀搜索火星是否有生命跡象，並對火星攝影攝像。然而讓蘇聯滿懷希望的此次探險卻出師不利：「閃電8K78」火箭在升空飛行第300秒時，其自身控制系統發生故障，導致該火箭第三級發動機關閉。地面控制人員隨即發出自毀指令，使火箭和探測器在地球大氣層中燒毀。
探測器著陸創造歷史
到1971年5月19日，蘇聯成功發射重約4.6噸的「火星-2」探測器並使其順利飛入通往火星的預定軌道。該探測器負責探查火星表面溫度及其陽光反射率、火星大氣密度，評估火星大氣中二氧化碳、水蒸氣和氧氫氬等原子含量，記錄空間帶電粒子，測量火星附近電子和質子流能量。此外「火星-2」還攜有一臺執行火星登陸任務的著陸器。
1971年11月27日，上述著陸器與「火星-2」探測器分離，並按該探測器內置計算機校正的方向，飛向火星表面。然而在臨分離前，「火星-2」的計算機由於軟體錯誤發生故障，導致方向校正失誤，著陸器飛入火星大氣層的角度超過了設計所允許的極限。由於這一飛入角度過於陡峭，造成著陸器來不及制動剎車，降落傘系統也失效，預計的軟著陸變成粉身碎骨的硬著陸。
蘇聯火星探測的「高光時刻」來自「火星-3」探測器。該探測器的重量、內部構造和所用技術與「火星-2」探測器如出一轍，其升空時間比「火星-2」晚9天，即在1971年5月28日。「火星-3」在同年12月2日進入繞火星軌道前一路平安。同日在其所攜著陸器登上火星的過程中，探測器計算機校正方向、探測器與著陸器分離、著陸器變軌飛行並按正確角度和位置飛入火星大氣層、著陸器的制動發動機兩次啟動、打開和適時拋棄降落傘等操作均很順利，從而使著陸器在火星南緯45度、西經158度的託勒密撞擊坑的平坦底部成功軟著陸。這也是人類歷史上首次有探測裝置在火星表面軟著陸。
然而在蘇聯地面操控人員為創造歷史激動不已時，形勢急轉直下。「火星-3」投放的著陸器在軟著陸1.5分鐘後開始向地面傳輸著陸點周圍的全景影像信號，但該傳輸僅持續14.5秒便永遠停止了。最終「火星-3」僅環繞火星飛了20圈便結束了探測任務。
尋求借船出海再赴火星
儘管在「火星-3」探測任務折戟沉沙後，蘇聯在1974年至1989年先後發射了4顆「火星」系列和2顆「火衛一」系列探測器，但它們均未能再現「火星-3」探測器的軟著陸成就。而美國「海盜-1」、「海盜-2」探測器投放的著陸器在1976年兩次登上火星，並向地球傳回了火星表面景物照片，研究了火星土壤。加之1969年美國實現載人登月，美國已贏得與蘇聯的太空競賽，因此火星探測熱潮在上世紀80年代至90年代初陷入低谷。蘇聯解體後，俄羅斯僅在1996年、2011年主導實施過考察火星及其衛星——「火衛一」的探測活動，但均因俄運載火箭頂部的軌道加速器未能啟動，分別導致「火星-96」和「火衛一-土壤」探測器入軌失敗，旋即在地球大氣層中燒毀。
在主導探測失利、本國深空研究經費有限等因素影響下，俄嘗試借船出海或與他國對等合作再赴火星。2001年4月肩負考察火星水資源和礦物的美國「奧德賽」探測器啟程，並於當年10月開始環繞火星。
2002年3月俄航天研究所專家表示，根據上述高能中子探測器傳回的火星中子流動能差別和中子熱能等信息，俄專家認為火星北極及其北半球部分區域有冰凍水存在跡象，據推測火星北半球的冰凍水應位於火星北極至北緯50度之間，還有部分冰凍水位於火星北緯30度附近。與火星南半球的冰凍水相比，其北半球的冰凍水更厚，分布更廣。
除此以外，高能中子探測器的考察結果還使俄專家獲得3個重要信息：火星表面會釋放強度很高的中子流；火星表面所釋放的中子流強度多變，特別是在火星北部極冠地區中子流的變化尤為明顯；如果火星上有生命存在的話，其必須適應火星表面的高放射性環境，未來在規劃人類登陸火星時必須研究如何消除高放射性環境對人體的危害。
俄羅斯與歐洲航天局首次合作探測火星項目喜憂參半。2013年3月，俄航天署（現更名為俄羅斯航天集團公司）與歐洲航天局籤署「火星太空生物」計劃項目合作協議。該項目分兩階段實施，其一是把雙方聯合研製的「微量氣體軌道器」（下稱「軌道器」）發送入繞火星軌道，以嗅探火星大氣層，更為詳細地分析火星大氣中的甲烷並嘗試確定其來源，驗證是否有火星微生物存在。2016年10月，「軌道器」開始順利繞飛火星並正常工作，但「斯基亞帕雷利」著陸器在登陸火星時，其燃料罐爆炸，軟著陸失敗。
由此可見，火星探測是迄今人類深空探測中極度高精尖的科技領域之一；深空探測經驗豐富的航天強國也需循序漸進、厚積薄發地考察火星；借船出海、對等合作、在主導探測時開放合作，都是考察火星和其他遙遠天體的多元化選項。