火星是太陽系八大行星之一，按離太陽由近及遠的次序排列為第四顆。在太陽系八大行星之中，火星也是除了金星以外，距離地球最近的行星。大約每隔26個月就會發生一次火星沖日，地球與火星的距離在沖日期間會達到極近值，通常只有不足1億千米，而在火星發生大衝時，這個距離甚至不足6000萬千米。火星沖日意味著這時可以使用較小花費將探測器送往火星，火星探測通常也會利用此天文現象來運作。
到目前為止，已經有超過30枚探測器到達過火星，它們對火星進行了詳細的考察，並向地球發回了大量數據。同時火星探測也充滿了坎坷，大約三分之二的探測器，特別是早期發射的探測器，都沒有能夠成功完成它們的使命。但是火星對於人類卻有一種特殊的吸引力，因為它是太陽系中最近似地球的天體之一。火星赤道平面與公轉軌道平面的交角非常接近於地球，這使它也有類似地球的四季交替，同時，火星的自轉週期為24小時37分，這使火星上的一天幾乎和地球上的一樣長。
人類使用太空探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類太空史。幾乎就在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時候，第一個火星探測器也開始了它的旅程。最早期的探測器幾乎都失敗了，而火星探測也就是在一次又一次的失敗中不斷前進。
1960年10月10日，前蘇聯向火星發射了第一枚探測器。緊接著就在四天以後，第二枚火星探測器升空。然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達。
1962年10月24日，當火星又一次運行到合適的位置時，前蘇聯的第三枚火星探測器升空了，然而這次它也是僅僅到達了環繞地球的軌道而已。1962年11月1日，前蘇聯向火星發射了火星1號，這枚探測器成功進入了前往火星的軌道，並且計劃於1963年6月19日到達火星，然而當1963年3月21日它飛行到距離地球1.06億千米的距離時，卻與地面永遠失去了通信聯繫。三天以後，前蘇聯的又一枚探測器升空，這枚探測器同樣面臨著失敗的命運，僅僅到達環繞地球軌道，此後火箭未能再次成功點火，兩個月後墜入地球大氣層燒毀。
1964年，美國也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12月5日發射升空，是美國發射的第一枚火星探測器，然而探測器的保護外殼未能按預定計劃成功與探測器分離，導致探測器偏離軌道，最終導致失敗。水手4號於12月28日發射升空，這是有史以來第一枚成功到達火星並發回數據的探測器，水手4號於1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠過火星，向地球發回了21張照片，此後又在環繞太陽軌道上花費三年時間對太陽風進行探測。水手4號發回的數據表明火星的大氣密度遠比此前人們認為的稀薄，也沒有發現磁場或輻射帶。這些新數據促使天文學家修改後續的火星研究設計，也顯示火星上存在生物的可能性比先前預測的還低。
前蘇聯也於1964年11月30日再次向火星發射了探測器，但是這枚探測器再次以失敗告終，它雖然最終到達了火星附近，但是卻沒有能夠向地球發回任何數據。
1969年美國向火星發射了水手6號和水手7號。前者於2月24日發射升空，7月31日抵達火星。後者於3月27日發射升空，8月5日抵達火星。這兩枚探測器攜帶有更先進的儀器和通訊設備，它們成功掠過火星，對火星大氣成分進行分析，並傳回大量照片。
前蘇聯也於1969年向火星發射了兩枚探測器，然而這次甚至比此前的情況更加糟糕，第一枚探測器在發射後7分鐘因發動機故障發生爆炸，而另一枚探測器發射後不到1分鐘就墜向了地面。
1971年，美國向火星發射了兩枚探測器，嘗試進入火星軌道，環繞火星飛行，以獲取火星的高清晰照片。5月8日，水手8號發射升空，幾分鐘後因火箭故障墜入了大西洋。5月30日，水手9號發射升空，這是有史以來第一枚成功進入環繞火星軌道的探測器，取得了空前的成功。水手9號於1971年11月14日到達火星，在火星軌道上工作了將近一年之久，發回了7329張照片，覆蓋了火星表面超過80%的部分，同時還對火星的兩顆衛星進行了探測。
前蘇聯在1971年向火星發射了三枚探測器。第一枚探測器於5月10日發射，包括一個軌道器和一個著陸器，嘗試在火星表面著陸，但實際上它僅僅到達了環繞地球軌道，按照計劃，探測器應該在地球軌道上停留1.5小時，然後點火向火星進發，但是由於失誤，結果它的計時器要等上1.5年向火箭發出這個點火指令，這枚探測器後來被稱為宇宙419號，因為前蘇聯事後否認這枚探測器將要前往火星。
火星2號和火星3號是前蘇聯當年發射的另外兩枚火星探測器，與宇宙419號的設計幾乎完全相同，分別於5月19日和5月28日發射升空，火星2號於12月27日到達火星後不久便與地球失去了聯繫，而火星3號的軌道器沒有成功，但是其著陸器卻成為了有史以來第一個成功在火星表面著陸的探測器，雖然它僅僅火星上工作了大約20秒，甚至沒能發回一張完整的照片就永遠與地球失去了通信聯繫。
前蘇聯在1973年連續向火星發射了四枚探測器，但是都沒有完成它們的探測任務。火星4號於1973年7月21日發射升空，火星5號於1973年7月25日發射升空，它們分別於1974年2月10日和1974年2月12日到達火星附近，火星4號沒能成功進入環繞火星軌道，而火星5號則在進入環繞火星軌道不久後就丟失了。火星6號和火星7號都攜帶有軌道器和著陸器，它們分別於1973年8月5日和1973年8月9日發射升空，然後分別於1974年3月12日和1974年3月9日到達火星附近，火星6號的著陸器成功進入了火星大氣層並打開了降落傘，然後就丟失了，而火星7號甚至還沒進入環繞火星軌道就丟失了。
美國國家航空暨太空總署的海盜號探測計劃是有史以來最為成功的火星探測計劃之一。它們由兩部分組成，一個軌道器和一個著陸器。海盜1號於1975年8月20日發射升空，軌道器於1976年6月19日進入環繞火星軌道，著陸器於1976年7月20日在火星表面成功著陸。
海盜2號於1975年9月9日發射升空，軌道器於1976年8月7日進入環繞火星軌道，著陸器於1976年9月3日在火星表面成功著陸。
海盜1號成為第一枚在火星上著陸，並且成功向地球發回照片的探測器。海盜1號的軌道器在軌道上一直工作到1980年8月17日，而著陸器使用核能作為電力來源，在火星表面正常工作超過六年，直到1982年11月13日錯誤指令導致失去通信聯繫為止。
海盜2號的軌道器在軌道上一直工作到1978年7月25日，而著陸器在火星表面正常工作了三年多的時間，直到1980年4月11日電池故障導致通訊聯繫中斷。海盜號火星探測計劃總共向地球發回了數萬張高清晰照片。在很長一段時間內，海盜1號都是在火星表面存活時間最長的紀錄保持者，直到2010年5月19日才由機遇號以2246個任務日的運轉打破了海盜1號2245個任務日的紀錄。
以火衛一的名字命名的福波斯1號和福波斯2號探測器分別於1988年7月7日和1988年7月12日發射升空，這是繼1973年失敗後，前蘇聯又一個火星探測計劃。然而儘管相隔15年之久，這兩顆探測器依然沒能逃脫失敗的命運，福波斯1號於1988年9月2日在飛往火星的途中失去聯繫，而福波斯2號則在1989年3月27日探測器進入環繞火星軌道後不久與地球失去了通信聯繫，它所攜帶的著陸器也沒能在火星表面著陸。
經過多次推遲，美國的火星觀察者探測器於1992年9月25日發射升空，開始了它前往火星的旅程。一切似乎進展得相當順利，然後就在它幾乎就要到達火星的1993年8月21日，當準備點火進入環繞火星軌道時，與地球失去了通信聯繫。
1996年12月7日，美國的火星全球勘測者探測器發射升空，這枚探測器持續運作了10年，最後在2006年11月5日失去訊號聯絡，它是最成功的火星任務之一。
1996年12月16日，俄羅斯發射了火星96號探測器，探測器進入地球軌道後未能成功點火進入前往火星的軌道，不久後在墜入太平洋而宣告失敗。
1998年底和1999年初發射的四枚探測器最終都以失敗告終，包括日本的希望號探測器、美國的火星氣候軌道器、火星極地登陸者和深空2號。
火星探路者於1997年7月4日在火星表面克裏斯平原和阿瑞斯峽穀的交界附近著陸。它攜帶的旅居者號火星車，是人類送往火星的第一部火星車。
2001火星奧德賽號在2001年4月7日在卡納維拉爾角空軍基地由三角洲二號運載火箭發射成功，2001年10月24日2:30 a.m.UTC到達火星軌道，進行氣阻減速以進入環繞火星軌道。2002年1月氣阻減速完成，同年2月19日開始科學任務。
火星快車號包括兩個部份：火星快車號衛星與小獵犬2號登陸器，不過小獵犬2號後來失去聯繫，任務失敗。
火星探測漫遊者這項計劃的主要目的是將勇氣號（Spirit, MER-A）和機遇號（Opportunity, MER-B）兩輛火星車送往火星，對火星這顆紅色行星進行實地考察。火星探測漫遊者任務開始於2003年。
美國國家航空太空局的鳳凰號於2007年啟程前往火星，並在經歷將近一年、6.75 億公里的旅程之後，已在2008年5月25日成功登陸火星北極。主要任務是尋找火星土壤中可能存在的生命跡象。
美國國家航空暨太空總署與麻省理工學院合作的火星科學實驗室已經於2011年11月至26月美國東部時間10時02分於從佛羅裏達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空，啟程前往火星，它將在火星表面著陸，並且擁有六個輪子，擁有前所未有的機動性能，並且使用核能提供電力，至少在火星表面工作一個火星年的時間。
同時，火星科學實驗室還將攜帶各種先進的儀器，它將配有200萬圖元的主照相機，配合10倍光學變焦鏡頭和三色真彩色感光能力，將可以拍攝到超高清晰度的全景照片，同時這部相機還將內置MPEG-2硬體影片壓縮能力，可以拍攝每秒10畫格的高清晰影片，相機本身將配有至少 256MB和8GB快閃記憶體以暫時保存拍攝的照片和影片。
螢火一號探測器作為中俄太空合作項目之一，搭載在俄羅斯的「福布斯-土壤」探測器中，2011年11月9日淩晨發射。後因福布斯-土壤與運載火箭分離後變軌失敗，於2012年1月15日17時45分墜於太平洋海域。
美國的火星樣本取回任務計劃將於2013年實施，計劃於2016年將半千克左右的火星土壤和岩芯樣本送回地球作進一步研究。這個計劃包括一個環繞火星軌道運行的返回裝置和一到兩個著陸裝置，著陸裝置可能配備有可以小範圍移動的火星車，如果那時火星科學實驗室仍然可以工作，可能也會利用火星科學實驗室在大範圍內提前採集樣本，或者再發射一枚類似火星科學實驗室的火星車用於這個目的。採集樣本以後，樣本將會被一枚小型火箭發射到火星軌道，與返回裝置對接，這個對接也可能不只一次，然後由它將樣本一次性送回地球。
2018年的火星任務將是一個著陸器，用於尋找火星上可能存在生命的證據。
火星科學實驗室（Mars Science Laboratory），是美國國家航空暨太空總署火星探索計劃，其主要利用火星探測車。火箭於2011年11月26日15:02（UTC）發射，並在2012年8月6日05:31UTC使火奇號成功登陸火星蓋爾撞擊坑（4°36′S 137°12′E / 4.6°S 137.2°E / -4.6; 137.2）。
這輛探測車比2004年登陸的火星探測車機遇號和精神號重五倍，長兩倍。比起之前其他火星任務，它攜帶了更多先進科學儀器。國際社群提供部份的儀器。火星科學實驗室由擎天神五號541型火箭發射。好奇號將會分析數十個樣本，從泥土挖出、從岩石中鑽取粉末，並預計運作至少一個火星年（約2個地球年），比起之前任何火星探測車還要探測更廣大的區域。它將調查火星以前或現在維持生命的可能性。NASA科學家形容此火星探測車為「夢幻探測車」。
2004年，隨著火星探測漫遊者成功到達火星，美國國家航空暨太空總署已經開始研究下一個火星車任務。NASA從2006年就開始挑選著陸地點，經過5年的仔細篩選，最終選定了蓋爾撞擊坑（4°36′S 137°12′E / 4.6°S 137.2°E / -4.6; 137.2）。
這個任務還得到了國際許多國家的支援，俄羅斯聯邦太空局提供一個用於尋找水的基於中子的氫探測器，西班牙教育部提供一個氣象元件，德國馬克斯·普朗克學會化學研究所與加拿大太空局合作提供一個分光計。本次任務的總成本達到了25億美元，是歷來最貴的火星探測任務。
2011年11月26日格林威治時間15時02分，自甘迺迪太空中心（Kennedy Space Center）南方的卡納維爾角（Cape Canaveral）空軍基地，由「擎天神五號」（Atlas V）火箭攜帶發射升空。
好奇號在2012年8月6日05:31UTC成功登陸火星蓋爾撞擊坑。道格·麥克奎斯遜（Doug McCuistion）是NASA行星科學部門中火星探測項目的主管。加州理工學院的地質學教授約翰·P·格勒青格（John P. Grotzinger）參與了NASA探索火星的科研項目工作。好奇號的地面駕駛，是台裔科學家嚴正與劉登凱。著陸任務小組的工程師陳友倫，也來自台灣。
蓋爾撞擊坑（Gale）是火星上鄰近埃律西昂平原的低地邊緣，座標4°36′S 137°12′E / 4.6°S 137.2°E / -4.6; 137.2的大撞擊坑。它的直徑154公里，並且已經存在了約 35 至 38億年之久。這個坑的名字來自澳洲天文學家華特·弗雷德里克·蓋爾（Walter Frederick Gale），他於19世紀後期觀測火星，並且描述火星存在著溝紋。蓋爾坑曾是勇氣號火星探測器的登陸候選地點，現在是2011年11月26日發射，並於2012年8月6日登陸的火星科學實驗室的登陸地點。
蓋爾坑的外貌有著不尋常的特徵，有著大量的碎石環繞著高聳在中心的夏普山，這座山比火山口北側的底部高5.5公里，比南側高4.5公里--火山口本身的北側也比南側略高。山丘是由成層狀的物質組成，可能是在大約20億年前坍塌的。這座山丘的起源還不清楚，但是研究顯示它最初可能沉積在湖底，曾經完全充滿著沉積岩，如今只剩侵蝕的殘餘物。然而，這些結果都還在爭議中。觀測表明上層跨層狀的地形可能是風積過程造成的，但較低層的成因仍然不明確。
蓋爾撞擊坑的位置在火星的 5.4S, 137.7E，勇氣號火星探測器 (MER-A) 的位置14.57S, 175.47E，維京2號登陸艇在47.93N, 133.74E。許多侵蝕進山丘的河道給了科學家們研究地層的好機會，
蓋爾已獲選為火星科學實驗室的主登陸場，它於2011年11月26日發射，2012年8月6日登陸於火星的蓋爾撞擊坑。蓋爾之前曾是2003年勇氣號火星探測器的登陸候選地點，也是歐洲太空總署的ExoMars四個登陸候選地點之一。(續)
好奇號著陸後拍攝的首張火星地表圖片