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火星观测历史是关于火星观测记录在册的历史。 早期的火星观测记录可以追溯到公元前两千年古埃及天文学家的时代。 中国关于火星运动的记录出现在周朝建立之前(公元前1045年)。 巴比伦天文学家对火星的位置进行了详细的观测，他们发明了算术技术来预测火星的未来位置。 古希腊哲学家和天文学家发明了地心说来解释行星的运动。 在古希腊和古印度文献中可以找到对火星角直径的测量相关记载。 16世纪，尼古拉·哥白尼提出了太阳系的日心说，这个模型提出行星沿着环绕太阳的圆形轨道运行。 约翰内斯 · 开普勒对此进行了修正，得出了一条更符合观测数据的火星椭圆轨道。
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1610年伽利略第一次用望远镜观测火星。 在一个世纪内，天文学家发现了这颗行星上明显的反照率特征，包括黑色的大瑟提斯高原和极地冰盖。 他们能够确定行星的自转周期和轴向倾斜。 这些观测主要是在火星与太阳处于相对位置的时间间隔内进行的，在这个时间间隔内，地球离火星最近。19世纪早期发明的高级望远镜使得人们能够详细绘制火星永恒的反照率特征。1840年 第一张粗略的火星地图出版，1877年之后绘制出了更精确的地图。 当天文学家误以为他们已经探测到了火星大气层上水的光谱特征时，火星上存在生命的说法逐渐流行起来。 珀西瓦尔 · 洛厄尔相信他可以看到一个人造火星运河。[1] 这些线性特征后来被证明是视错觉，大气层太薄，不具备类似地球的行星适居性。
自19世纪70年代以来，人们就观测到了火星上的黄色云层，欧仁·米歇尔·安东尼亚第认为这些云层是被风吹起的沙子或尘埃。 20世纪20年代，测量出了火星表面温度从 -85到7摄氏度(- 121到45华氏度)。 并且大气层是干旱的，只有微量的氧气和水。 1947年，杰拉德·柯伊伯发现薄薄的火星大气层星云中含有大量的二氧化碳，大约是地球大气中二氧化碳含量的两倍。 火星反照率特征是在1960年由国际天文联会第一次正式命名。 自20世纪60年代以来，已经发射了多枚机器人航天器从运行轨道和火星表面探测火星。 这颗行星一直在地面和太空仪器大范围的电磁波谱的监视之下。 通过在地球上发现的火星陨石，实验室能够对火星的化学条件进行研究。
1590年10月13日，德国天文学家梅斯特林观察到金星掩星火星。 他的一个学生，约翰内斯 · 开普勒，很快成为哥白尼体系的信徒。 完成学业后，开普勒成为丹麦贵族和天文学家第谷 · 布拉赫的助手。 随着获得第谷详细的火星观测资料的许可，开普勒开始着手用数学方法组装一个替代普尔滕尼克表。 在多次未能按照哥白尼学说的要求将火星的运动适应到一个圆形轨道之后，他成功地将第谷的观察结果进行了匹配，假设轨道是一个椭圆，而太阳位于其中一个焦点上。 他的模型成为开普勒行星运动定律的基础，这些定律在他的多卷本著作《天文学缩影》(Epitome Astronomiae Copernicanae)中发表于1615年至1621年间。
在火星最接近地球的时候，它的角直径是25角秒(度的单位) ; 这对于肉眼来说太小了，无法分辨。 因此，在望远镜发明之前，除了行星在天空中的位置，我们对它一无所知。[2] 意大利科学家伽利略·伽利莱是已知的第一个使用望远镜进行天文观测的人。记录显示，他从1610年9月开始用望远镜观察火星。[3] 这台仪器太原始，无法显示行星表面的任何细节，[4]因此他设定了目标，观测火星是否表现出与金星或月球相似的部分黑暗相位。虽然他不确定自己能否成功，但是到了12月份，他注意到火星角直径的确缩小了。 1645年，波兰天文学家约翰·赫维留成功地观测到火星的一个相位。[5]
1644年，意大利耶稣会士丹尼洛 · 巴托利称在火星上看到了两块较暗的地方。 在1651年、1653年和1655年的天体对立期间，火星最接近地球时，意大利天文学家乔瓦尼·巴蒂斯塔·里乔利和他的学生弗朗切斯科·马里亚·格里马尔迪注意到火星上有不同的反照率。[4] 第一个绘制火星地形特征地图的人是荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯。 1659年11月28日，他绘制了一幅火星图，上面显示了一个独特的黑暗区域，现在被称为大瑟提斯高原，可能是一个极地冰盖。[6] 同年，他成功地测量了这颗行星的自转周期约为24小时。[5] 他粗略估计了火星的直径，大约是地球直径的60% ，与现在测量的53% 较为符合。[7] 也许第一次火星南极冰帽的概念是意大利天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼于1666年提出的。 同年，他利用对火星表面标记的观测，确定了一个24小时40分钟的自转周期。 这与目前普遍接受值相差不到三分钟。 1672年，惠更斯观察到到北极有一顶毛茸茸的白帽子。[8]
1671年，卡西尼成为巴黎天文台的第一任主任后，他解决了太阳系大小的问题。 根据开普勒第三定律确定了行星轨道的相对大小，所以需要确定行星轨道之一的实际大小。 为此，根据地球上不同点的背景恒星测量了火星的位置，从而测量了火星的日视差。 在这一年里，这颗行星正沿着它的轨道移动到离太阳最近的地方(近日点对日点) ，这使得它离地球特别近。 卡西尼和皮卡德在巴黎确定了火星的位置，而法国天文学家里希尔从南美洲的开云确定了火星的位置。 虽然这些观测结果受到仪器质量的影响，但卡西尼号计算出的视差与正确值相差不到10% 。[9] 英国天文学家约翰 · 弗拉姆斯蒂德进行了对比测量，得到了类似的结果。[10]
1704年，意大利天文学家雅克 · 菲利普 · 马拉尔迪“对南方冰帽的系统研究，并观察随着行星的旋转，它所经历的变化”。 这表明冰帽并不在极地的中心。 他观察到冰帽的大小随着时间而变化。[11] 1777年，德国出生的英国天文学家威廉·赫歇尔开始对火星进行观测，特别针对火星的极冠进行观测。 1781年，他注意到南方冰帽看起来“非常大” ，他认为这是因为在过去的12个月里南极一直处于黑暗之中。 到了1784年，南极冰帽变小了很多，这表明冰帽随着地球季节变化而变化，因此它是由冰组成的。 1781年，他推测火星的自转周期为24小时39分21.67秒，并测量了火星两极对轨道平面的轴向倾斜为28.5秒。 他指出，火星有”相当大却温和的大气层，因此其居民可能在许多方面与我们类似”。[12] [13]在1796年到1809年之间，法国天文学家奥诺雷弗劳格盖斯注意到火星上的模糊图象，认为“赭色的面纱”覆盖了火星表面。 这可能是最早关于火星上黄云或风暴的报道。[14][15]
19世纪70年代，夏帕瑞丽观测到黄云造成的地表模糊现象。 在1892年和1907年的对立期间观测到黄云的证据。 1909年，安东尼亚迪指出黄云的出现与反照率特征的模糊有关。 他发现当火星距离太阳最近时，在相反的位置上火星会显得更黄，而且会接收到更多的能量。 他认为风沙或灰尘是造成云层的原因。[16]
1894年，美国天文学家威廉·华莱士·坎贝尔发现火星的光谱与月球的光谱完全相同，这使人们对新兴的火星大气层与地球大气层相似的理论产生了怀疑。 之前探测到的火星大气中的水被解释为不利条件，坎贝尔确定水完全来自地球的大气层。 尽管他同意冰帽确实表明大气中存在水，但他不认为冰帽足够大到可以探测到水蒸气。[17]当时，坎贝尔的说法被认为是有争议的，并受到天文学界成员的批评，但在1925年得到了美国天文学家沃尔特·亚当斯的证实。[18]
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苏联、美国、欧洲、日本、印度、中国 和阿拉伯联合大公国共已发射数十艘太空船研究火星表面、地质和气候。这些太空船包括轨道卫星、登陆器和漫游车，但大约有三分之二的任务在完成前或刚要开始时就因种种原因而失败。目前将一公斤物体由地球表面送往火星平均要花费约30,900美元。[19]
1960年10月10日，苏联向火星发射了第一枚探测器火星1A号，但以失败告终。此后苏联经过多次尝试，终于在1962年11月1日，苏联向火星发射了火星1号，这枚探测器终于进入了前往火星的轨道，然而1963年3月21日它飞行到距离地球1.06亿公里的距离时，与地面永远失去了通信联系。1965年NASA的水手4号飞掠火星。1971年水手9号进入火星轨道，成为第一个环绕火星的探测船[20]。
1971年苏联火星计画火星2号的登陆器坠毁后数日，相同的火星3号的登陆器成功登陆火星，是第一个成功登陆火星的探测器，但登陆十几秒后随即失去联系，携带的火星车Prop-M也未能将讯息传回地球。1975年NASA发射海盗号，包括两组轨道卫星和登陆器。海盗1号和2号轨道卫星各运作了六年和三年。两个登陆器皆于1976年成功登陆，并传送了第一张火星地景的彩色照片[21]，而轨道卫星也绘制了很好的火星地图，甚至到今天都还在使用。
1988年苏联发射弗伯斯1号、2号以探测火星和两个卫星。弗伯斯1号于抵达前失去联系，而弗伯斯2号虽然成功拍摄了火星和火卫一，但在放出两艘登陆器到火卫一前也失去联系，所携带的著陆器也没能在火星表面著陆。
在1992年火星观察者失败后，NASA于1996年11月发射了火星全球勘测者。火星全球勘测者于1997年进入火星环绕轨道，其出色地完成任务，它在2001年完成了地图绘制的任务，并三次延长任务，直到2006年11月2日失去联系而结束，总计在太空中运作了10年。在火星全球勘测者发射一个月后，NASA发射了火星探路者，并携带一个登陆器和漫游车——旅居者号（Sojourner），于1997年7月登陆在阿瑞斯峡谷。旅居者号成为第一个在火星上成功运作的火星车，并运作长达83个火星日传回了大量照片。[22]
NASA的火星勘测98计画于1998、99年发射了火星气候卫星与火星极地登陆者，前者预计研究气候、水与二氧化碳等，后者则预计于南极登陆，探测器搭载的深空2号则计划于火星极地登陆者进入大气时与它分离，直接降落并穿入地表进行研究。但火星气候探测者号在1999年9月23日在进入火星轨道的过程中失去联络，最终任务失败，极地登陆者则在1999年12月3日探测器登陆火星时失去联络，两者均以失败告终。
另外，1996年12月16日，俄罗斯发射了火星96号探测器，探测器进入地球轨道后未能成功点火进入前往火星的轨道，而宣告失败。1998年7月3日日本发射的希望号探测器，于2003年12月10日进行最后的远程遥控修复作业仍告无效之后，日本放弃“希望号”进入火星轨道的尝试，项目也以失败告终。
2001年NASA发射了2001火星奥德赛号，任务成功进行并延续到2010年9月。[23]船上的伽玛射线光谱仪于地表下一公尺内侦测到大量的氢，证明有大量的水分子存在火星近地表。[24]2003年NASA发射了两台相同的火星探测漫游者——精神号（MER-A）和机会号（MER-B）。两台皆于2004年1月成功登陆并工作超过预定时间。传回的资料中最有价值的是两地过去有水的确实证据。尘卷风和风暴偶尔清除了太阳能板上的沙尘，使它们能以超过预定任务时间继续工作。[25]
2003年欧洲太空总署发射了火星快车号，包括轨道卫星和登陆器——小猎犬2号，而小猎犬2号于2004年2月降落失败。[26]2004年船上的行星傅立叶光谱仪于大气中侦测到甲烷。2006年6月ESA宣布火星快车号发现极光。[27]
2005年8月NASA发射了火星勘察卫星，于2006年3月进入火星轨道展开为期2年的工作。它搭载更进步的通讯系统，频宽比之前任务总和还宽，且传回的资料远多于过去任务的总和。拥有解析度高达0.3公尺的相机——HiRISE，拍摄地表和天气以寻找未来任务的适合登陆地点。2008年2月19日拍摄到北极冠边缘的一系列雪崩影像。[28]
2007年2月25日，探测彗星的罗塞塔号近距离飞掠火星并拍照，拍到火星的高空云系。[29]
NASA于2007年8月发射凤凰号，于2008年5月登陆在火星北纬68度的极区。[30]凤凰号登陆器有一支可伸及2.5公尺的机械手臂，并可挖掘土壤1公尺深。它还搭载一座显微镜，解析度达人类头发宽度的千分之一。2008年6月20日确认在2008年6月15日发现的地表白色物质为水冰。[31][32]2008年11月10日进入冬季而无法继续联系凤凰号，任务结束。[33]2009年2月17日，黎明号飞掠火星以重力助推前往目的地灶神星和谷神星，并在接近火星时拍了照。[34]
2011年11月9日中俄合作的福布斯-土壤号于升空，预计送回火卫一土壤样本。而该探测器还将搭载一颗重110公斤的火星探测器，也就中国第一艘火星轨道环绕器萤火一号（YH-1），预计乘坐俄罗斯的联盟号运载火箭升空，航程大约10个月。萤火一号主要研究火星的电离层及周围空间环境，火星磁场等。该探测器发射到近地轨道后，因为与地面失去联系变轨失败，探测器的碎片于莫斯科时间2012年1月15日坠落在太平洋海域。
继凤凰号之后，NASA于2011年的发射的火星科学实验室（好奇号），在2012年8月6日05:31UTC成功登陆火星的盖尔撞击坑。它和火星探测漫游者一样是火星车，但比火星探测漫游者更大、速度更快，而且设备更完善。它搭载雷射化学检测仪，可在13公尺外分析岩石组成[35]。比起之前其它火星任务，它携带了更多先进科学仪器。本次任务的总成本达到了25亿美元，是历来最贵的火星探测任务。[36]2013年11月19日NASA发射MAVEN探测器，研究火星大气。[37]2014年9月进入环绕火星的轨道，MAVEN至今仍在运作。2014年9月24日，印度的火星轨道探测器也成功进入火星轨道。
2016年3月14日，ESA与俄罗斯联邦航天局合作研发的火星微量气体卫星成功发射，该卫星将分析火星大气层，并将运载斯基亚帕雷利演示登陆器至火星进行登陆。可挖掘两公尺深以寻找有机物甚至火星生命。[38]登陆器于2016年10月19日登陆火星，但由于登陆器与火星高速碰撞，造成登陆计划失败。原定于2020年7月发射的罗莎琳·富兰克林号[39]，则被推迟到2022年[40]。
2020年7月下旬，阿联酋希望号火星探测器、中国国家航天局的天问一号、与NASA的毅力号，先后发射升空。2021年2月9日希望号到达火星。2月18日毅力号成功登陆火星，毅力号还携带一台火星无人直升机机智号，机智号在2021年4月19日首次试飞获得成功，这是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行，4月20日，毅力号成功将火星大气的二氧化碳转化成氧，这是地球以外的首次成功造氧。[41]5月15日，中国国家航天局的天问一号着陆器和祝融号火星车在火星乌托邦平原南部预选着陆区成功着陆，[42]5月22日，祝融号被成功释放到火星表面，中国成为了继美国之后第二个在火星著陆并且成功部署火星车的国家，而且是第一个一次完成环绕、登陆、巡视的国家。
2004年美国总统布什宣布载人火星任务为太空探索展望中的长期目标。[43]NASA和洛克希德·马丁已开始研究猎户座太空船，计划于2020年以前送人类到月球，作为人类登陆火星的准备。2007年9月28日，NASA执行长麦可·D·格里芬声明NASA预计于2037年以前送人类到火星。[44]ESA也希望于2030至2035年间将人类送上火星。[45]
直达火星是罗伯·祖宾——火星学会的创始人和主席——提出的极低成本载人火星任务，使用重载的农神五号级火箭，如战神五号或太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰九号，省略轨道组装、低地轨道会合和月球燃料补给站而直接用小的太空船前往火星。修改后的计划，叫做Mars to Stay ，改成先不送回第一批登陆者，狄恩·尤尼克说明送回一开始的四到六人所花费用比送他们到火星还高，反而可再送二十人。[46]
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