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18世纪末英国天文学家威廉·赫歇耳发现，火星南北两极的冰冠会随季节的变化，相应增大和缩小。其他观测也表明，火星与地球在自转周期、季节更替等许多方面比较相似。人们认为火星上可能存在生命。

1877年意大利天文学家乔万尼·斯基亚帕雷利绘制了第一幅详细的火星地图。地图上包含许多条被他称为canali（意大利语，意有水沟）的线条，后来被误传为canals（即运河），成为火星人存在的“证据”。1909年，新的观测否定了火星运河的存在。

1894年美国天文学家威廉·华莱士·坎贝尔首次对火星的大气进行光谱分析观测，发现火星大气中既没有水，也没有氧气，不适合生命生存。

1965年美国的水手4号探测器飞越火星，发现那里是干燥的不毛之地。探测器还发现火星没有磁场保护，强烈的紫外线可以直射表面，足以杀死任何已知的生命。这是第一个成功飞越火星的探测器。同年，苏联发射的探测2号也成功飞越火星。

1971年苏联的火星2号和3号试图登陆火星。火星2号坠毁，3号成功着陆，成为第一个“活着”踏上火星的探测器。不过它不幸遭遇火星沙暴，仅工作了22秒，便与地球失去联系。

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1971年美国的水手9号探测器进入绕火星轨道，成为第一颗环绕其他行星运行的人造卫星。探测器拍摄了火星全貌，确认火星上不存在运河，火星的一个半球上有许多环形山，另一个半球则比较平坦。

1975年美国海盗1号和2号探测器释放的着陆器成功登陆火星，携带了大量设备，对火星土壤中是否存在微生物进行了4项实验检测。其中一项给出了肯定的结果，但随后科学家发现，无生命的化学过程也可以解释这一结果。

1976年-1996年干燥荒芜的火星失去了魅力，火星探测事业陷入低潮。苏联在此期间发射的福波斯1号和2号、美国发射的火星观察者号全都在前往火星的途中与地面失去联系。1996年 美国科学家戴维·麦凯在《科学》杂志上撰文，宣布在一块名为ALH84001的火星陨石中发现了一种类似细菌的火星生物化石，引起极大争议。现在的主流观点认为，这些结构是非生命的化学现象产生的。

1996年 美国发射“火星环球勘测者”，1年后进入绕火星轨道，开始了近10年的火星探测任务。它拍摄了火星全球的清晰影像，证实火星不像地球这样拥有一个全球性磁场，无法阻止对生命有害的宇宙线直射表面。

1997年 美国的“火星探路者”号成功着陆，并释放出第一台火星漫游车“旅居者”。漫游车在火星上漫游了85天，传回大量证据，暗示火星过去一段时期曾经温暖潮湿，拥有浓厚的大气。

2000年 根据火星环球勘测者的数据资料，美国科学家迈克尔·马林和肯尼思·埃杰特在《自然》上发表文章，宣称在火星上找到的类似洪水冲沟的结构，是由仍在流动的地下水造成的。不过2006年月球上发现了类似的结构，暗示这也可能是微陨石尘撞击的结果。

2001年美国的奥德赛探测器成功进入绕火星轨道。2002年，NASA宣布奥德赛上的伽马射线谱仪和中子谱仪探测到了大量的氢，表明火星南极到南纬60度地区，地下1米~3米处存在大量的水冰。不过这一结果仍然受到广泛的质疑。

2003年美国的勇气号和机遇号火星漫游车先后登陆火星。2004年3月，NASA宣布机遇号发现有力证据，证明火星过去曾是一颗湿润的行星。原本设计寿命为90天的漫游车，至今仍活跃在火星表面。

2003年欧洲空间局的火星快车成功进入绕火星轨道，它所携带的猎兔犬2号却在着陆火星时失踪。2004年，火星快车在火星大气中检测到分布不均匀的微量甲烷，为火星上可能存在生命提供了新的证据。2005年，火星快车又检测到了微量的甲醛，同样可能与生命有关。

2009年中国和俄罗斯将联合发射福波斯探测器，在火星的一颗卫星上着陆，并采样返回地球。中国将搭载一颗小卫星，进入绕火星轨道，执行火星空间环境的探测任务。

2020年4月24日，中国行星探测任务被命名为“天问系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在中国文昌航天发射场点火升空。