一九六二年，苏联发射了首艘火星探测船「火星一号」，它在发射初期与地面保持着频繁的通讯，总计六十多次。然而，到了次年三月，天线故障导致通讯中断，最终探险以失败告终。
美国紧随其后，于一九六四年十一月发射了「水手四号」，这是美国第一艘飞向火星的飞船。它在次年七月抵达火星附近，传回了二十二张照片，揭示了火星上环形山众多，与月球相似，同时也否定了火星人挖掘运河的传说。这些照片的质量虽不完美，但比地球观测更为清晰。
一九六九年，美国的「水手六号」和「七号」再次飞向火星，它们接近火星的距离达到3200公里。六号发现了高达25000公尺的奥林帕斯火山，而七号则证实了南极地带的冰原是由固态二氧化碳构成。这两艘飞船的观测结果更加详细，显示出火星地貌的复杂性，并揭示了火星大气中二氧化碳含量高，表面温度低，几乎无水蒸气。
为更深入研究，一九七一年美国发射了「水手九号」，成为首颗人造火星卫星，对火星进行了更全面的观测。苏联也发射了「火星二号」和「火星三号」，其中三号在火星尘暴中着陆。而「水手九号」则在尘暴平息后，对火星及其卫星进行了详细的图像采集，发现了如美国大峡谷十倍大的水手峡谷。
到了一九七五年，美国的「海盗一号」和「二号」成功登陆火星，目标在于寻找生命迹象。它们在克雷斯平原和乌托邦平原着陆，虽然相隔遥远，但传回的景象显示火星表面为荒凉的沙漠，岩石形态各异。着陆器的分析结果表明，火星地表主要由硅酸盐组成，铁含量较高，解释了其橙红色的外观。
火星探险任务正是太空中的“百慕大三角”，自1960年以来，人类几乎每隔两年就想发射探测器登陆火星，但火星却是不折不扣的“太空百慕大三角”，人类的34次火星探险任务中，有22次归于失败。