1. 概述
目前为止，国际上实施的火星探测任务（包含成功的和失败的）共约五十个，种类有飞掠、环绕、登陆和巡视任务。1964年11月28日，由NASA发射的水手四号是第一个访问火星的航天器，于1965年7月15日最接近该行星。苏联的火星三号飞船于1971年12月实现了软着陆，但着陆后数秒内失去了联系。欧洲空间局成为第三家派遣探测器访问火星的航天机构，其火星快车号于2003年12月25日到达火星轨道。2014年9月24日，印度空间研究组织的火星轨道探测器到达火星轨道，成为第四个成功派遣探测器到达火星的航天机构。后续参与火星探测任务的是阿联酋的希望号以及中国的天问一号。
苏联、美国、欧洲、日本、印度、中国和阿拉伯联合酋长国共已发射数十艘航天器研究火星表面、地质和气候。这些航天器包括轨道卫星、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30900美元。火星目前有八艘的探测器在轨道中运行，分别是美国的火星奥德赛号、火星快车号、火星侦察轨道器、火星大气与挥发演化任务轨道器、印度的火星轨道探测器、欧洲空间局和俄罗斯的火星微量气体任务卫星、阿联酋的希望号以及中国的天问一号，地表还有许多火星车和着陆器，包括三台火星车：美国的好奇号、毅力号及中国的祝融号，固定式登陆探测器洞察号，和已经结束任务的旅居者号、勇气号、凤凰号和机遇号，还有首架火星无人飞机机智号。
2. 1960年代
2.1. 苏联
1960年10月10日，苏联向火星发射了第一枚探测器火星1A号。紧接着就在四天以后，14日第二枚火星探测器火星1B号升空。然而这两枚火星探测的先行者却连地球轨道都没能到达。1962年10月24日，当火星又一次运行到合适的位置时，苏联的第三枚火星探测器火星1C号升空了，然而这次它也是仅仅到达了环绕地球的轨道而已。
1962年11月1日，苏联向火星发射了火星1号，这枚探测器成功进入了前往火星的轨道，并且计划于1963年6月19日到达火星，然而1963年3月21日它飞行到距离地球1.06亿千米的距离时，与地面永远失去了通信联系。三天以后，苏联的又一枚探测器升空，这枚探测器同样面临失败的命运，仅仅到达环绕地球轨道，此后火箭未能再次成功点火，两个月后坠入地球大气层烧毁。1964年11月30日再次向火星发射了探测器，但是这枚探测器再次以失败告终，它虽然最终到达了火星附近，但是却没有能够向地球发回任何数据。1969年向火星发射了两枚探测器，然而这次甚至比此前的情况更加糟糕，第一枚探测器在发射后7分钟因发动机故障发生爆炸，而另一枚探测器发射后不到1分钟就坠向了地面。
2.2. 美国
1964年，美国也先后向火星发射了两枚探测器水手3号和水手4号。水手3号于12月5日发射升空，是美国发射的第一枚火星探测器，然而探测器的保护外壳未能按预定计划成功与探测器分离，导致太阳能板未能打开，于发射8小时后电池耗尽，与地面永远失去了通信联系，并导致探测器偏离轨道，估计距火星数百万英里处掠过，任务失败。水手4号于12月28日发射升空，这是有史以来第一枚掠过火星并发回探测数据的探测器，于1965年7月14日在火星表面9800千米上空掠过火星，向地球发回了21张照片，此后又在环绕太阳轨道上花费三年时间对太阳风进行探测。水手4号发回的数据表明火星的大气密度远比此前人们认为的稀薄，也没有发现磁场或辐射带。这些新数据促使天文学家修改后续的火星研究设计，也显示火星上存在生物的可能性比先前预测的还低。1969年美国向火星发射了水手6号和水手7号。前者于2月24日发射升空，7月31日抵达火星。后者于3月27日发射升空，8月5日抵达火星。这两枚探测器携带有更先进的仪器和通讯设备，它们成功掠过火星，对火星大气成分进行分析，并传回大量照片。
3. 1970年代
3.1. 苏联
1971年苏联向火星发射了三枚探测器。第一枚探测器于5月10日发射，包括一个轨道器和一个着陆器，尝试在火星表面着陆，但实际上它仅仅到达了环绕地球轨道。按照计划，探测器应该在地球轨道上停留1.5小时，然后点火向火星进发，但是由于失误，它的计时器要等上1.5年向火箭发出这个点火指令，这枚探测器后来被称为宇宙419号，因为苏联事后否认这枚探测器将要前往火星。
火星2号和火星3号是苏联1971年发射的另外两枚火星探测器，与宇宙419号的设计几乎完全相同，各由一个环绕火星的轨道器和一个着陆器组成，分别于5月19日和5月28日发射升空。火星2号于11月27日到达火星，成功进入环绕火星轨道，并释放着陆器，但着陆器降落伞未打开而在火星表面坠毁，这是有史以来第一个成功抵达火星的人造物。火星3号于12月2日到达火星，成功进入环绕火星轨道，并释放着陆器，其着陆器成为有史以来第一个成功在火星表面软着陆的探测器，取得了空前的成功，虽然它仅仅在火星上工作了14.5秒，甚至没能发回一张完整的照片就永远与地球失去了通信联系。火星2号和3号的轨道器在火星轨道上工作了近9个月之久，从1971年12月至1972年3月期间发回一个比较大的数据量，传输持续至8月22日。1972年8月22日发回数据和共有60张的照片之后，火星2号和3号结束了使命。这些图像和数据创建了表面地形图，并给出火星引力和磁场的信息。
苏联在1973年连续向火星发射了四枚探测器，但是都没有完成它们的探测任务。除了火星7号外所有任务都发回了数据，其中火星5号是最成功的。火星4号于1973年7月21日发射升空，火星5号于1973年7月25日发射升空，它们分别于1974年2月10日和1974年2月12日到达火星附近，火星4号没能成功进入环绕火星轨道，而火星5号则在进入环绕火星轨道不久后就丢失了。火星4号在的2200千米范围飞过行星返回一位幅图片和无线电掩星观测数据，这些数据构成火星上的夜侧电离层的有史以来第一个检测。在发射机外壳加压损失结束使命之前，火星5号传送回60幅图像。火星6号和火星7号都携带有轨道器和着陆器，它们分别于1973年8月5日和1973年8月9日发射升空，然后分别于1974年3月12日和1974年3月9日到达火星附近，火星6号的着陆器成功进入了火星大气层并打开了降落伞，然后就丢失了，而火星7号甚至还没进入环绕火星轨道并在距离火星1300千米处就丢失了。
3.2. 美国
1971年美国向火星发射了两枚探测器，尝试进入火星轨道，环绕火星飞行，以获取火星的高清晰照片。5月8日，水手8号发射升空，几分钟后因火箭故障坠入了大西洋。5月30日，水手9号发射升空，这是有史以来第一枚成功进入环绕火星轨道的探测器，取得了空前的成功。水手9号于1971年11月14日到达火星，在火星轨道上工作了将近一年之久，发回了7329张照片，覆盖了火星表面超过80%的部分，同时还对火星的两颗卫星进行了探测。
美国国家航空航天局的海盗号探测计划是有史以来最为成功的火星探测计划之一。它们由两部分组成，一个轨道器和一个着陆器。海盗1号于1975年8月20日发射升空，轨道器于1976年6月19日进入环绕火星轨道，着陆器于1976年7月20日在火星表面成功着陆。海盗2号于1975年9月9日发射升空，轨道器于1976年8月7日进入环绕火星轨道，着陆器于1976年9月3日在火星表面成功着陆。海盗1号成为第一枚在火星上着陆，并且成功向地球发回照片的探测器。海盗1号的轨道器在轨道上一直工作到1980年8月17日，而着陆器使用核能作为电力来源，在火星表面正常工作超过六年，直到1982年11月13日错误指令导致失去通信联系为止。海盗2号的轨道器在轨道上一直工作到1978年7月25日，而着陆器在火星表面正常工作了三年多的时间，直到1980年4月11日电池故障导致通讯联系中断。海盗号火星探测计划总共向地球发回了数万张高清晰照片。在很长一段时间内，海盗1号都是在火星表面存活时间最长的纪录保持者，直到2010年5月19日才由机遇号以2246个任务日的运转打破了海盗1号2245个任务日的纪录。
着陆器任务的主要科学目标是寻找生物迹象信号，观察火星气象学的、地震学的和磁学的性质，海盗登陆器上的生物实验的结果仍然没有定论。海盗轨道器揭示大洪水刻深的山谷，侵蚀沟槽进入基岩，并且旅行数千千米。在南半球支流的区域，表明曾经有过降雨落下。
4. 1980年代
4.1. 苏联
以火卫一的名字命名的福波斯1号和福波斯2号探测器分别于1988年7月7日和1988年7月12日发射升空，这是继1973年失败后，苏联又一个火星探测计划。然而尽管相隔15年之久，这两颗探测器依然没能逃脱失败的命运，福波斯1号于1988年9月2日在飞往火星的途中失去联系，而福波斯2号则在1989年3月27日探测器进入环绕火星轨道后不久与地球失去了通信联系，它所携带的着陆器也没能在火星表面着陆。
4.2. 美国
经过多次推迟，美国的火星观察者探测器于1992年9月25日发射升空，开始了它前往火星的旅程。一切似乎进展得相当顺利，然而1993年8月21日，就在它几乎就要到达火星，准备点火进入环绕火星轨道时，与地球失去了通信联系。1996年11月7日火星全球勘测者探测器发射升空，这枚探测器持续运作了10年，最后在2006年11月2日失去讯号联络，它是最成功的火星任务之一。1997年7月4日美国的火星探路者号火星表面克里斯平原和阿瑞斯峡谷的交界附近着陆。它携带了名为旅居者号的小型的10.6千克（23英磅）轮式机器人的火星车，这是人类送往火星的第一部火星车。1998年12月11日发射的火星气候轨道器以失败告终。1999年1月3日发射的火星极地登陆者和其搭载的深空2号，则以失败告终。
4.3. 日本
1998年7月3日发射的希望号探测器以失败告终。
4.4. 俄罗斯
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，不久后在坠入太平洋而宣告失败。
5. 2000年代
5.1. 美国
2001火星奥德赛号于2001年4月7日在卡纳维拉尔角空军基地由德尔塔2号运载火箭发射成功，2001年10月24日2:30 a.m. UTC到达火星轨道，进行气阻减速以进入环绕火星轨道。2002年1月气阻减速完成，同年2月19日开始科学任务。NASA已经开始进行第3个为期两年，至2010年9月为止的延伸任务以观测火星南北极冰冠、云、沙尘暴等现象，以了解火星表面不同时间的改变，以及对火星表面矿物的测绘能有更好的结果。2008年9月30日卫星花6分钟点燃助推火箭改变轨道，好让红外线遥测有更佳的结果以测绘火星表面矿物。但是这新的轨道也将使伽马射线光谱仪因为过热而无法使用。这次延伸任务也延续了对其他火星任务的支持。一般认为可以继续使用至2015年。勇气号和机遇号这两台火星探测器拍摄的照片和其他资料有85%是以火星奥德赛号作为通讯中继卫星送回地球的，且火星奥德赛号每天可以各一次联络这两台探测车。卫星也协助探测未来探测车和已于2008年5月登陆的凤凰号火星探测器分析可能登陆地点的安全性。奥德赛号协助2006年3月到达的火星侦察轨道器在进行气阻减速时观测火星大气层的状况。
美国火星探测漫游者计划的主要目的是将勇气号和机遇号两辆火星车送往火星，对火星这颗红色行星进行实地考察。火星探测漫游者任务开始于2003年。火星探测漫游者科学考察任务：搜索和辨识岩石土壤中的水活动迹象，从而分析水导致的矿化过程，如降水、大气中的水蒸汽、沉积岩或热液活动；探测着陆区周围的矿物分布； 探测形成当地地貌和化学成分的地质活动，类似的过程可能包括水或风侵蚀、沉积、热液活动、火山活动以及陨石撞击；校准确认火星勘测轨道器的地表观测结果，从而确认火星轨道观测的精度和有效性；搜寻含铁矿物，确认并定量分析含水或水形成矿物，如含铁碳酸盐；通过岩石土壤的矿物学分析和纹理测定其成因；寻找液态水存在时期的环境因素导致的地质学线索；评估火星环境能否支持生命的存在。
美国国家航空航天局的火星侦察轨道器于2005年8月12日发射升空，前往火星，2006年3月10日进入火星轨道。2006年3月24日，美国国家航空航天局下属的喷气推进实验室公布了火星侦察轨道器发回的火星表面第一批由CTX与MCI所拍摄的高清晰照片。这次拍摄尽管以校准相机为目的，却证明了飞船的探测能力。从2006年11月开始，火星侦察轨道器将会在两个地球年的时间之内进行各项科学研究作业，之后的延伸任务将会包括为登陆器与探测车进行通讯与导航信息传递。
美国国家航空航天局的凤凰号于2007年启程前往火星，在经历将近一年、6.75 亿千米的旅程之后，于2008年5月25日成功登陆火星北极。主要任务是寻找火星土壤中可能存在的生命迹象。 2008年6月19日，NASA宣布由机器人臂掘开的“渡渡鸟金发状毛莨”内，被切成方块大小丛集的明亮物质，经历四天就蒸发掉了，强烈的暗示它们是由水冰组成的，因为暴露在外而升华了。虽然干冰也会升华，但在目前的条件下他会以比观测到的更快的速度进行。 2008年7月31日，NASA宣布，就如同在2002年由火星奥德赛轨道船的预测，凤凰号证实了火星上出现的是水冰。一个新的样品在最初的加热程序中，当样品的温度达到0 °C时，TEGA（热与蒸发气体分析仪）的质谱仪侦测到了水蒸气。液态的水在火星低压的表面是不可能存在的，只有在最低海拔处可能存在很短的时间。科学团队希望能确定是否有足够的刨冰可以解冻供应生活上的需要，以及这些冰中是否含有生命所需的其他物质与化学成分。另外，在2008年和2009年初，NASA内部曾争论凤凰号登陆时出现在着陆脚架上呈雾状聚集的小滴是否是水滴。一位科学家指出，登陆艇为保持平衡的盐水袋可能在登陆时被加速器飞溅到登陆艇的脚架上，这些盐分会吸收大气中的水蒸气，这可以解释水蒸气如何在44天的火星日当中，在火星温度下降的过程中如何慢慢的蒸发。
5.2. 欧盟
2003年6月2日发射的火星快车号包括两个部分：火星快车号卫星与小猎犬2号登陆器，不过小猎犬2号后来失去联系，任务失败。火星快车号后来在火星大气层内发现甲烷。虽然甲烷含量相当少，这对于科学家是极大的鼓舞。因为甲烷从火星大气层逃逸的速度很快，这代表至今仍有固定的来源向火星大气层释放甲烷。因为甲烷的来源可能是微生物，现已计划判定资料可靠性和探测火星特定地区，希望能找到甲烷的固定来源。
6. 2010年代
6.1. 美国
美国国家航空航天局与麻省理工学院合作的火星科学实验室好奇号火星车已经于2011年11月26日美国东部时间10时02分于从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，启程前往火星，它将在火星表面着陆，并且拥有六个轮子，拥有前所未有的机动性能，并且使用核能提供电力，至少在火星表面工作一个火星年的时间。同时，火星科学实验室还将携带各种先进的仪器，它将配有200万像素的主照相机，配合10倍光学变焦镜头和三色真彩色感光能力，将可以拍摄到超高清晰度的全景照片，同时这部相机还将内置MPEG-2硬件影片压缩能力，可以拍摄每秒10画格的高清晰影片，相机本身将配有至少256MB内存和8GB闪存以暂时保存拍摄的照片和影片。好奇号成功在2012年8月6日协调世界时05:17于伊奥利亚沼着陆。
美国“火星大气与挥发演化任务”探测器于美国东部时间2013年11月18日13时28分（北京时间19日02时28分）发射升空，它的使命是以前所未有的精度对火星的上层大气进行研究，以帮助科学家揭开火星大气层变得稀薄之谜。“火星大气与挥发演化任务”探测器搭乘“宇宙神Ｖ型”火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地冲天而起，踏上10个月的飞往火星之旅。“火星大气与挥发演化任务”探测器项目的花费超过6.7亿美元，旨在调查火星的上层大气，帮助了解火星大气层的气体逃逸对火星气候与环境演变所产生的影响，这也是美国发射的首个专门执行这一使命的探测器。科学家认为，远古火星曾拥有浓厚的大气层，且表面存在大量液态水。但随着时间的推移，火星大气层中的大部分气体逃逸到太空中，表面的液态水也逐渐消失，火星从可能适合微生物生存的行星，最终变成了今天寒冷而荒凉的沙漠世界。2014年9月22日，探测器成功进入火星轨道。
2018年发射的洞察号是一个无人登陆载具，这项任务的目标是将一个装载有地震仪及热流侦测器的固定式登陆载具发射到火星表面，研究火星早期的地质演变。
6.2. 印度
印度的火星轨道探测器于印度标准时间2013年11月5日2:38 PM（9:08 UTC）在位于斯里赫里戈达岛的萨迪什·达万航天中心第一发射台以 PSLV-XL C25 型火箭发射。该任务的发射窗口是在同年10月28日后约20日的时间内。火星轨道探测器正式发射倒数计时开始于2013年11月3日06:08 AM，发射成功后结束。本项任务是印度的首个行星际探测任务。2014年9月24日，火星轨道探测器成功进入火星轨道，印度ISRO是继俄罗斯RSA、美国NASA、欧盟ESA之后第四个成功进行火星任务的太空机构。
6.3. 欧盟
ExoMars计划包含两次发射任务。第一次发射任务被命名为火星生物学2016（ExoMars-2016），于2016年3月14日执行，欧空局与俄罗斯航天局联合研制的火星微量气体任务卫星与斯基亚帕雷利EDM登陆器搭乘俄罗斯质子号运载火箭成功升空，但后期火星着陆失败。第二次发射任务将会发射两个火星车至火星进行探索，该任务原定2018年执行，但两度延期后改于2022年执行。2022年3月，欧空局宣布受2022年俄罗斯入侵乌克兰影响，欧方暂停与俄方合作、暂停原定于2022年9月的第二次发射任务。
7. 2020年代
7.1. 阿联酋
2020年7月20日，阿联酋火星探测器“希望号”在日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射升空。2021年2月9日，希望号进入火星轨道。希望号空间探测器将研究每日和季节性天气周期，低层大气层中的天气事件（例如沙尘暴）以及行星上不同区域的天气变化。 它还将试图找出为什么氢气和氧气会损失到太空中以及其剧烈的气候变化背后的其他可能原因。 该任务由阿联酋工程师团队与国外研究机构合作完成，对阿联酋基于知识型经济做出了贡献。
7.2. 美国
毅力号是由美国国家航空航天局下属的喷气推进实验室制造，用于火星2020任务中的火星车。该探测器已于美国东部时间2020年7月30日上午7:50（世界协调时11:50）发射，于2021年2月18日（北京时间2月19日上午4时55分）着陆火星。毅力号的外观与好奇号大致相同，携带7种科学仪器，23个摄像头，两个麦克风，任务计划探测耶泽罗撞击坑附近的火星表面。毅力号还携带了一台名为机智号的无人直升机，配合毅力号进行科学研究。机智号于2021年4月19日成功在火星起飞，这是人类首次实现飞行器在其他星球的受控飞行。