Mars è stato e continua ad essere oggetto di molte missioni con sonde automatiche. La prima sonda a raggiungere Marte è stata Mariner 4 nel 1965, che ha inviato 22 fotografie della superficie. Nel 1969, Mariner 6 ha scattato 75 fotografie che hanno mostrato la calotta polare sud marziana. Sonde americane e sovietiche hanno raccolto una grande quantità di dati. Gli americani hanno scoperto la montagna più alta del Sistema Solare, il Monte Olympus, con la sonda Mariner 9. Le sonde Viking 1 e 2, atterrate nel 1976, hanno eseguito sperimenti di biochimica del suolo per cercare vita su Marte, i cui risultati sono ancora dibattuti. Mars Pathfinder è atterrato su Marte nel 1997 e ha equipaggiato un piccolo rover, Sojourner, che ha scattato oltre 16.000 immagini e ha eseguito 15 analisi chimiche dettagliate del suolo e delle rocce marziane. La sonda Mars Global Surveyor è arrivata in orbita marziana nel 1997 e ha mappato il pianeta con una risoluzione di 1,5 metri, dimostrando la presenza di acqua liquida in passato. La sonda attualmente funge da ponte radio per altre missioni. 

Su Marte sono presenti molte formazioni simili ai fiumi presenti sulla Terra. Ci sono due tipi di canali: quelli ramificati e tortuosi e quelli più profondi che mantengono le stesse dimensioni per tutta la lunghezza. Queste differenze potrebbero essere dovute a cause diverse, come l'esistenza di un clima mite o la liberazione improvvisa di grandi quantità d'acqua. Probabilmente c'erano anche grandi oceani su Marte, che si prosciugarono a causa dei mutamenti del clima. Questo ha portato a un aumento della temperatura e alla formazione di ghiaccio che ha causato una diminuzione globale della temperatura. 

Marte ha due piccoli satelliti, Phobos e Deimos, scoperti nel 1877, che hanno forme irregolari e somigliano ad asteroidi. Hanno rispettivamente diametri di 22 km e 14 km. Le orbite delle due lune sono inclinate di circa 2° rispetto al piano dell'equatore marziano e sono molto piccole. Phobos compie un'orbita completa in 7h 39m e tre rivoluzioni in una giornata di Marte, mentre Deimos impiega 30h 17m. Come la Luna, anche i due satelliti mostrano sempre la stessa faccia a Marte e ruotano intorno al proprio asse allo stesso tempo in cui compiono una rivoluzione. La superficie di entrambi i satelliti è coperta di crateri e polvere, con un cratere di 10 km di diametro su Phobos. L'origine di Phobos e Deimos è ancora incerta, con alcuni studiosi che li ritengono asteroidi catturati dalla gravità di Marte e altri che li considerano di origine comune a Marte.