Iki kosminių tyrimų epochos buvo manoma, kad Marsas yra tinkamiausia planeta nežemiškos gyvybės prieglobsčiui. Jau ankstyvieji Marso stebėjimai pro teleskopus parodė esant tvirtą planetos paviršių su aiškiomis nekintančiomis detalėmis: baltomis ašigalių kepurėmis, tamsiomis ir šviesiomis sritimis. Ilgainiui paaiškėjo, kad baltų ašigalių kepurių matmenys, šviesių ir tamsių sričių kontrastingumas įvairiais Marso metų laikais yra skirtingi. Prie šių faktų prisidėjo dar vienas “atradimas” – vadinamieji Marso kanalai. Sezoninė Marso paviršiaus detalių kontrastingumo kaita buvo siejama su Marso augalijos suvešėjimu šiltesniuoju metų laiku, o Marso kanalai esą liudijo marsiečių civilizacijos įrengtą sudėtingą drėkinimo tinklą, kuriuo tiekiamas vanduo dykumų miestams.

Tamsias sritis Marso diske pastebėjo jau pirmieji Marso tyrinėtojai. Jas savo piešiniuose 1659 m. vaizdavo Kristijanas Heigensas (Christian Huygens, 1629–1695), 1865 m. Viljamas Dozas (William Dawes, 1799–1868). Per 1877 m. Marso opoziciją italų astronomas Džiovanis Skiaparelis (Giovanni Schiaparelli, 1835–1910) dar kartą atkreipė astronomų dėmesį į tamsias juosteles, kurias jis pavadino vagomis, grioviais (it. canali – vagos, grioviai). Skiaparelis tamsias Marso juostas pavaizdavo taisyklingomis tiesiomis arba kreivomis linijomis. Į anglų kalbą itališkas žodis canali buvo išverstas paraidžiui – kanalai. Daugelis žmonių šį terminą susiejo ne su gamtos dariniais, o su dirbtinėmis struktūromis. Tais laikais apie Marso atmosferą ir klimatą buvo žinoma nedaug, todėl mintis, kad Skiaparelio kanalai yra marsiečių įrengta visuotinė drėkinimo sistema, tada atrodė visai priimtina.

Prasidėjus kosmonautikos epochai, astronomai nekantriai laukė, kada bus imtasi tyrinėti Marsą iš arti. Pirmąsias kosmines stotis į Marsą paleido tuometinė SSRS 1960 m. Deja, šie aparatai tikslo nepasiekė. Iki šiol į Marsą buvo paleisti 27 kosminiai aparatai. Iš jų tik 8 iki galo atliko numatytas tyrimų programas.Ypač nesėkmingai klostėsi SSRS Marso tyrimų progra-ma – nė vienas jų aparatas neatliko užduočių iki galo. Sėkmingai tyrinėjo Marsą amerikiečių kosminės stotys Mariner 4, 6, 7, 9. Pirmasis žmogaus pagamintas įrenginys, nutūpęs į Marsą, buvo SSRS Mars 3. Tačiau šis prietaisas svarbesnių duomenų nespėjo perduoti, nes vos nutūpęs nustojo veikti.1976 m. sėkmingai nutūpė į Marsą ir atliko pirmuosius Marso grunto tyrimus dvi amerikiečių kosminės stotys Viking.

Marsui būdingas dviejų tipų paviršius: senos kraterių nusėtos aukštumos, kurios apima didesnę pietinio pusrutulio dalį, ir lygios žemumos, nusidriekusios daugiausiai šiaurinėse platumose. Jose aukštai iškyla vulkaninės sritys: Tarsijos kalnynas (Tharsis Montes) ir Eliziejaus plokštikalnė (Elysium Planum). Kraterių nusėtos aukštumos užima beveik du trečdalius Marso paviršiaus. Jos yra maždaug 1–4 km iškilusios virš vidutinio planetos paviršiaus lygio. Žemumos nusileidžia 1–2 km nuo šio lygio. Smūginių meteoritinių kraterių tankis Marso aukštumose beveik toks pats kaip ir Mėnulyje. Marso paviršiaus dalis su krateriais yra sena ir mena tuos laikus, kai planetą iš erdvės intensyviai bombardavo meteoroidai ir asteroidai. Mėnulyje toks periodas baigėsi prieš 3.8 mlrd. metų. Matyt, ir Marso su krateriais aukštumos formavosi tuo pačiu laikotarpiu.

Marso atmosferos buvimą liudija daug požymių. Iš jų paminėtini: planetos disko tamsėjimas link pakraščių, laipsniškas žvaigždės šviesos gesimas, kai ją uždengia planeta, planetos vaizdo ryškumo trumpalaikiai pokyčiai arba debesų pasirodymas, pagaliau – spektriniai tyrimai. Jau šio šimtmečio viduryje buvo žinoma, kad Marso atmosfera yra labai reta. Tiesioginiai atmosferos tyrimai iš kosminių stočių tai patvirtino. Vidutinis atmosferos slėgis prie planetos paviršiaus tesudaro 0.007 Žemės atmosferos slėgio. Tokį žemą slėgį Žemės atmosfera turi 40 km aukštyje. Marso atmosferos sudėtyje yra 95.32% anglies dioksido (CO2), 2.7% azoto (N2), 1.6% argono (Ar), 0.03% deguonies (O2), 0.07% anglies monoksido (CO), 0.00025% neono (Ne). Vandens (H2O) Marso atmosferoje yra vos pėdsakai – 1000 kartų mažiau negu Žemės atmosferoje. Marso atmosferos slėgis yra per mažas, kad paviršiuje galėtų tyvuliuoti vandens telkiniai. Sava sudėtimi Marso atmosfera labai panaši į Veneros atmosferos sudėtį, tačiau jų tankiai labai skirtingi.