地球、火星是离太阳第三、四近的行星，火星在地球运转轨道外侧陪伴了我们亿万年。因表面覆盖着大量赤铁矿，火星又有“红色星球”之美誉。在太阳系八大行星中，火星的特征与地球最相似，也是在不久的将来人类可能登陆的唯一行星。火星是我们肉眼可看到的行星，在夜空下，它多呈现橘红色且雾蒙蒙的，这是因其表面覆盖着大量赤铁矿、大气中弥漫着尘埃所致，加之运动轨迹、亮度时常变化，令人迷惑，中国古代称它为“荧惑”，有“荧荧之火，离离乱惑”之意。古代西方人因其火红色的外表，称之为“战神”。1609年意大利科学家伽利略发明了天文望远镜，开创了人类用科学仪器研究火星的先河。这一年，德国天文学家开普勒计算出火星是沿着一个椭圆轨道环绕太阳运行，太阳位于该椭圆的一个焦点上，且此论断对其他行星也都适用，这就是著名的“开普勒第一定律”。当某外行星（火星、木星、土星、天王星、海王星）绕日公转时与地球、太阳在一条直线上，且地球恰好位于太阳和外行星之间时，这种天文现象叫“冲(chòng)日”，简称“冲”。火星冲日大约每隔2年（约780天）发生1次，是观测火星的最佳时机。但每次冲日火星与地球间的距离都不同，距离最近的冲日称为火星大冲，每15或17年才会发生一次。上次大冲是在2018年7月27日，下次要等到2035年9月16日。大冲时，火星的亮度可达－2.9等（“等”是星星的亮度等级，数值越小，亮度越大），是全天所有行星中最亮的一颗星，这也是为什么早期关于火星的重大发现几乎都发生在火星大冲时的原因。
1659年，荷兰科学家惠更斯绘制出世界上第一幅有火星表面特征的图，因外形酷似沙漏，被称为“沙漏”，即今天的大瑟提斯高原，一片直径为1300多公里的黑色玄武岩地区。同年，他成功测量出火星的自转周期为24小时40分钟（实际为24小时37分钟）。1672年火星大冲时，惠更斯又发现了火星的白色极冠。1784年，英国天文学家赫歇尔发现火星的自转轴倾角是25.2°（实际为25.19°）。随着天文望远镜技术的不断提高，观察火星的人越来越多，他们看到了许多令人遐想的图像，如火星上有些地方的颜色不断变化，于是猜测是火星植物的生长随季节而变化；又如火星极冠的白色区域面积一年之间也有变化，便联想到地球两极冰层的季节变化。
惠更斯使用自己设计的“空中望远镜”（无管、长焦距、可消色差）观测星空
1877年火星大冲时，意大利天文学家乔范尼·夏帕雷利（Giovanni Schiaparelli）观测到火星上有一条条直的暗线把暗区连成一大片，就像地球上的海峡连结着大海，他认为这些暗线是火星的“Canali”（水道）。但这个意大利语单词翻译成英语文时，被误译成“Canals”（运河）。这两个词有着本质的区别，水道可能是自然形成的，而运河一定是人工修建的，也就意味着有火星人。此后，美国天文学家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）用了15年时间仔细观测火星，得出了惊人的结论——火星上有500多条运河。他还写了好几本有关火星的书，经媒体渲染后，在社会上引起火星人大发酵。不过多数严谨的天文学家并不支持“火星人”一说，认为洛厄尔的结论纯属视觉误导所致，因为他们并没有观测到任何运河。其实，尽管火星大冲时距离地球比较近，但仍有至少5000万公里的距离，加上地球和火星上都有大气干扰，天文望远镜的倍数再大，从地球上观测，也只能看到火星的两极和轮廓。若想彻底揭开火星之谜，还有待科技的进一步发展。1960年10月10日，苏联发射了人类首颗火星探测器，标志着人类对火星的探索进入空间时代。遗憾的是，这颗探测器连地球轨道都没到达。火星探测器是用来探测火星的航天器，根据探测任务与火星的位置关系可分为飞掠、环绕器、着陆器、巡视器四大类。飞掠是指从火星附近飞速掠过时对其进行观测的探测器，有效观测时间通常为1天，随后滑入深空。这种探测对变轨技术要求较低，主要用于火星探测初期。1964年11月28日美国发射的“水手4号”即属于飞掠探测器，它于1965年7月14~15日飞掠火星，最近距离约为1万公里，是人类最先到达火星的探测器。从“水手4号”传回的22张火星表面照片，人们观察到了大小不等的环形山等地貌；同时，“水手4号”发现火星的大气密度较低、存在电离层、没有较强的内禀磁场（行星内部自发发生、保持和改变的磁场），因此不存在磁层中的辐射带。这些发现都与人们之前设想的情况相反。
通过直径64米的“火星天线”（左）接收到的“水手4号”探测器飞掠火星时发回的第一张图片（右）。环绕器是被火星捕获进入火星近火轨道、环绕火星运行的人造卫星。美国于1971年5月30日发射的“水手9号”是第一个成功进入火星轨道、绕火星转动的环绕探测器。它通过变轨进入距离火星表面约1300公里的轨道上，发现了火星地貌的南北半球不对称性：南半球存在大量古老的陨石坑，北半球地势相对平坦，两种地貌的交汇处是不规则的陡坡和矮山。“水手9号”还发现，南半球存在酷似干涸河床的地貌，表明火星上可能曾经有河流。“水手9号”是第一个成功进入火星轨道、绕火星转动的环绕探测器。
“水手9号”发现南半球有酷似干涸河床的地貌，表明火星上可能曾经有河流。着陆器是软着陆于火星表面、进行固定位置探测的人造卫星。1976年7月20日，美国“海盗1号”探测器成功软着陆在火星表面，第一张地表照片从着陆后25秒开始传送。9月3日，“海盗2号”也成功着陆。两台着陆器观察到火星上有许多巨大的沙丘和丘陵，还记录下两次全球性的尘暴天气。“海盗1号”由2.3吨的轨道舱和1.1吨的着陆舱组成
探测器的发射是需要发射窗口的。地球和火星都在围绕太阳运转，两者的相对位置不断变化。从地球的视角看，大约每隔26个月（约780天）才能和火星最接近一次，这个时间又称会合周期，即每26个月出现一次宝贵的火星探测发射窗口期。从1996年起，美国几乎每个发射窗口期都会向火星发射一对探测器，一台在火星上着陆，对火星的各个特性进行细致的就地探测；另一台围绕火星飞行，使科学家们获取对火星全球特征的认识。1997年7月4日，美国“火星探路者号”探测器携带“旅居者号”巡视器（可在火星表面自由行动的火星漫游车以及未来的载人火星飞船等，又称火星车）在火星降落，这是人类送往火星的第一部火星车。尽管它只前行了100多米，意义却犹如人类在月球留下的第一个脚印。通过对“旅居者号”反馈回来的图片与数据汇总研究，科学家们更加确信火星上曾经有水存在。火星车相比以往的探测器，最大优势在于可随处移动，意义不言而喻。因此，火星车是近些年火星探测的核心，复杂程度越来越高，待机工作时间也越来越长。由于无需携带固定着陆器的相关设备，可集中于科研载荷，从而进行多地点多方面的精细研究，使人类对火星的探测逐步深入。截至2021年6月，继续在轨工作的火星车共有3辆，分别是美国的“好奇号”“毅力号”和中国的“祝融号”。“好奇号”火星车于2012年8月6日以“空中吊车”式成功登陆火星表面，主要任务是探清火星历史环境是否曾适合生命存在。其原定任务期为2年，由于状态依然良好，美国国家航天局（NASA）宣布无限期延长它的工作时间。目前它在火星上累计移动里程超过20公里，主要成果有：拍摄了大量火星日偏食的照片、证明火星表面土壤按重量算约2%是水分、发现了古河床，等等。经历了203天的行程、穿越了约4.72亿公里之后，NASA最大、最先进的火星探测器“毅力号”于2021年2月18日采用降落伞＋缓冲发动机反推＋空中起重机的着陆方式成功着陆火星表面。其主要任务是火星生命迹象研究，目前的初步成果是将火星大气中的部分二氧化碳成功转化为氧气。NASA最大、最先进的火星探测器“毅力号”成功着陆火星表面。
2021年2月18日，美国“机智号”无人直升机搭乘“毅力号”火星车登陆火星，并于美国东部时间4月19日成功完成了在火星上的首次飞行，这是人造航空器首次在另一个行星上受控飞行。北京时间2020年7月23日12时41分，长征五号遥四运载火箭从海南文昌航天发射中心一飞冲天，成功将携带着我国首辆火星车“祝融号”的“天问一号”火星探测器送入预定轨道。2021年2月10日19时52分，“天问一号”探测器顺利进入环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现此次任务“绕着巡”目标的第一步，成功开启环绕火星模式。5月15日7时18分，“天问一号”探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆，迈出了我国星际探测征程的重要一步。5月22日，“祝融号”火星车驶离着陆平台，开始火星地面移动探测工作。“祝融号”携带6台科学仪器，即火星车雷达、磁场探测仪、成分探测仪、气象测量仪、多光谱相机和地形相机。其中，磁场探测仪是国际上首次在火星表面进行移动的磁场测量，可以获得精细尺度的火星磁场信息。此次探火任务主要包括：火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究；收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据；研究火星的磁场和重力场。祝融是中国上古神话中的火神，以火神的名字命名中国首辆火星车，是现代科学与传统文化的跨时空融合。目前，火星车工作正常，已成功向地面指挥中心传回大量数据。2020年7月23日，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器在海南文昌发射升空。
2021年6月11日，中国国家航天局发布的由“祝融号”火星车拍摄的“着巡合影”图。截至2021年6月底，人类共实施了47次探火活动，其中完全成功的探测任务只有22次，成功率约47%，可见火星探测之不易。火星是个直径约为6800公里、寒冷荒芜的星球，遍布撞击坑、峡谷、沙丘和砾石。它最引人注目的地形特征是干涸的河床，多达数千条，大小不一，蜿蜒曲折，纵横交错，极为壮观。河床的存在表明现在干燥异常的火星曾经有过大量的水。此外，火星上还有很多名字形象且令人遐想的景观。“酷爆的伤疤”：1972年“水手9号”探测器环绕火星时，在火星表面发现一条长长的“疤痕”，绵延3000多公里，横跨600多公里，深达8公里。因图片分析信息与地球的东非大裂谷极为相似，故起名水手峡谷。关于水手峡谷的起源至今没有定论，主流观点认为它始于数10亿年前火星冷却时形成的裂缝。水手峡谷不仅是火星上最大的峡谷，也是太阳系中最大的峡谷。“神奇的人脸”：1976年“海盗1号”探测器在火星的沙丘表面上拍摄到一处疑似人脸的景观，不禁让人浮想联翩。科研人员历经30多年研究，终于揭开了这个谜底：那些酷似人脸的景观是类似地球上的岩石山。科研人员历经30多年研究，最终证实“火星人脸”只是一块火星岩石，之所以看起来像人脸是因太阳光线照射和拍摄角度所致。火星冰冠：火星南北极有水冰（即冰）及干冰（固态二氧化碳）覆盖的区域。厚达数公里、由水冰组成的高原，是火星上水冰重要储藏库，被称为火星冰冠。水和二氧化碳借着升华与凝结来往于极冠与火星大气之间，是现今火星气候重要的一环。高耸的火山群：由于火星引力的原因，地表的火山往往都比较高。位于火星西半球塔尔西斯高原的5座盾状火山，个个秒杀珠穆朗玛峰，其中就有太阳系最高的奥林帕斯山，高约22公里，宽约550公里。“诱人的椰子”：2018年12月，欧洲航天局发布了“火星快车”探测器拍摄的环形山的照片：褐色的科洛廖夫陨石坑中积满了厚厚的冰层，看上去就像装满白色冰激凌的椰子，景象非常壮观。由于火星大气层特别稀薄，因此地表密密麻麻覆盖了成千上万大小不一的陨石坑。科洛廖夫陨石坑位于火星北部的低洼处，坑宽约82公里。由于灰尘和水冰慢慢堆积，形成了冰川，如今几乎填满了整个凹坑，即使在夏天也是如此，构成火星上一道独特的风景。近年来，由于火星探测的升温，特别是我国首次火星探测任务“天问一号”探测器的发射，引发了社会上更多的人对火星探测的关注，甚至做起了“火星移民的计划”。火星真的适合人类未来改造和居住吗？我们探测火星是为了移民吗？火星作为地球的近邻，与地球有很多相似之处，如它们的自转周期和公转方式基本相同；有着几乎相同的昼夜更替和季节变化；其表面温度（大约在-133℃~ 27℃）在太阳系类地行星中与地球最为接近；地貌特征也与地球很像，有高山、平原和峡谷等多种地形；火星上还有大量水冰和干冰，被视为太阳系中第二个适宜人类生存的星球。于是火星上是否存在孕育生命的条件，以及火星是地球的过去还是地球的未来，成为火星研究的重大科学问题。也就是说，研究火星对认识地球演变具有非常重要的意义。此外，从工程实施角度来看，去火星相对更容易些。因此，在载人登月之后，火星成为人类登陆行星的首选目标。阿曼科研人员正在佐法尔沙漠进行模拟登陆火星的实验。该项目由阿曼和奥地利两国合作实施，旨在未来将人类送往火星。面对耗资巨大的航天项目，许多人不禁会问：费时费力探火星，真的值得吗？探测火星会给我们的生活带来什么改变？其实早在上世纪70年代，NASA的史都林格博士就有过经典回答：“通往火星的航行并不能直接提供食物解决饥荒问题。然而，它所带来的大量新技术和新方法可以用在火星项目之外，这将产生数倍于原始花费的收益。”我们现在生活中的信息远程传递与操控、人工智能、全新的高品质节能环保产品等都是火星探测器技术带动科技水平提升的成果。随着火星探测任务的进一步深入，人们对宇宙的认识也会随之发生变化，势必会给我们的生活带来全新的体验。尽管国内外深空探测从未有向地外天体移民的意向，但以火星探测等航天工程为代表的航天能力，是综合国力的象征，在世界竞争格局中发挥着独特的作用。中国在火星探测领域是后来者，但起点相当高。在世界航天史上，“天问一号”不仅在火星上首次留下中国人的印迹，而且首次成功实现通过一次任务完成火星环绕、着陆和巡视三大目标，充分展现了中国航天人的智慧，标志着我国在行星探测领域跨入世界先进行列。据国家航天局秘书长许洪亮介绍，火星探测下一步拟于2028年实施火星取样返回任务，有关部门将组织实施好“天问一号”后续科学探测任务，力争取得更多新发现、新成果，实现科学产出最大化，让航天探索成果为创造人类更加美好的未来贡献更大力量。
