火星的火红色，自古就吸引着人们，而古希腊更是称之为战神。此时人们观测火星就和其他天体般，大部分是为了占星，而为了科学目的主要在17世纪之后，如开普勒探索行星运动定律时就是依据了第谷积累的大量而精密的火星运行的观测资料。
乔瓦尼·斯加帕雷里所绘之火星地图。望远镜发明后，人们对火星可以进行更进一步的观测。第一个使用望远镜观测星空的伽利略所见的火星只是一个橘红小点，然而随着望远镜的发展，观测者开始辨别到一些明暗特征。惠更斯依此测出火星自转周期约为24.6小时，他亦为首次纪录火星南极冠的人。一开始由于各人各自观测，意见亦不一致，地名也未统一。后来意大利的乔瓦尼·斯加帕雷里统合了各家说法而绘制了一个较可信的地图，地名取自地中海、中东等的地名和圣经等作为来源，而其余则依照旧有的观念：暗区被认为是湖水等水体，如太阳湖、塞壬海、最明显的暗大三角——大塞地斯；而亮区则是陆地，如亚马逊。这个命名系统一直延续下来。
当时，斯加帕雷里和同期观测者一样，观察到了火星表面似乎有一些从暗区延伸出的细线，因为对于暗区是水体的传统，这些细线命名为水道。而后来观察到暗区会在冬季时缩小、夏季时扩张，有人提出暗区是植物覆盖、而暗区的扩大缩小则是消长所引起的，改变以往认为暗区是水的说法。帕西瓦尔·罗威尔亦观察到，并宣称那些“水道”其实是人工挖掘的“运河”，用来灌溉植物，因为水道应太细不可见，而看到的细线应是灌溉出的大片植物。风靡大众的火星科幻和火星人即源于此。不过这些细线大多已证明是不存在的，部分则是峡谷或陨石坑后延伸出的深色沙子。而火星表面颜色的改变则是因为沙被风吹移，或发生火星尘暴。
2020年7月，太空爱好者组织ElderFox documentaries将NASA几个火星探测器从火星表面捕捉到的数千张图片拼接在一起，创造出了4K全景图，并通过平移来创造出类似于实时视频的效果。
2021年3月4日，国家航天局发布3幅由华夏首次火星探测任务天问一号探测器拍摄的高清火星影像图，包括2幅黑白图像和1幅彩色图像。3月26日，国家航天局发布2幅由华夏首次火星探测任务天问一号探测器拍摄的南、北半球火星侧身影像。图像中，火星呈“月牙”状，表面纹理清晰。南半球影像由天问一号中分辨率相机于bJ时间2021年3月16日拍摄，此时环绕器轨道高度约1.12万公里；北半球影像由天问一号中分辨率相机于bJ时间2021年3月18日拍摄，此时环绕器轨道高度约1.15万公里。
2021年12月24日，在火星表面部署的SEIS地震仪，监听到了发生的特殊事件导致的4级地震。