1975年8月20日和9月9日，美国发射了两个海盗号探测器，用于探索火星上有无生物。这两个探测器由轨道飞行器和登陆舱组成，长为5.08米，重3530千克，其中轨道飞行器重2330千克，登陆舱重1200千克，用三脚支撑，装有生物化学实验箱、测量挖掘设备、两台电视摄像机、机械手和电源。
海盗1号和2号分别于1976年7月20日和9月3日在火星表面软着陆成功，40分钟后就将第一张火星彩照发回地球。它们分别在火星上工作了六年和三年，对火星进行了考察和拍照，共发回五万多幅火星照片，分辨率高达200米。
四次探测有无生命存在的实验中，没有发现任何高级生命痕迹，从而排除了有关火星人的推测。
火星探路者(Mars Pathfinder，1996年12月~1998年3月)
“火星探路者”是美国宇航局旨在实现低成本行星探测的“发现计划”旗下首个探测器，它制定了明确的科学目标，拥有雄心勃勃的计划并最终超额完成了任务。这一探测器在着陆火星地表之后成功地释放出“索杰纳”火星车，着陆器和火星车两者一共发回了23亿比特的信息。
这些信息中包括超过1.7万张照片，超过15条对周围岩石和土壤的化学分析数据，以及大量有关着陆地点风和其它气候状况的纪录数据。
此次观测显示早期历史上的火星环境可能更加和地球相似，其地表可能曾经存在液态水，并且大气层浓度也要高于现在。
整个任务在火星表面持续了3个月，远远超出了原先计划中为着陆器制定的30天任务期限和为火星车制定的7天任务期限。
火星环球勘测者(Mars Global Surveyor，1996年11月~2006年11月)
1999年3月份到2001年1月份，火星环球勘测者执行火星全球制图任务，在此期间它发回的数据量超过了历史上之前所有火星探测计划收集数据的总和。
随后由于探测器依旧状态良好，它先后经过了3次延长任务期，在此期间对火星地表和全球气候模式展开持续观测，打破了在火星持续工作时间最长的纪录。
最后它开始执行第4个延长任务期，直到最后，在迎来它在火星工作10周年纪念日之前仅仅5天，MGS探测器不幸与地球失去联络。
火星环球勘测者在它的整个任务期间一共发回超过24万张照片，2.06亿条光谱学测量数据，以及6.71亿条激光高度测量数据。
这一探测器所取得的一些重要成果包括：在火星地表观测到大面积的沉积层构造；发现了古代遗留的河流三角洲；发现一些河道，其中一部分显示活动迹象，暗示在近期仍然存在液态水活动；确认了一些通常形成于潮湿环境中的矿物结核体，从而帮助美国宇航局的机遇号火星车最终选定了其着陆考察地点。
其激光高度数据最终生成了一份几乎覆盖火星全球的高分辨率地形图，确认了火星各地的高程以及斜坡数据；详细观测了大量陨石坑，包括发现并确认很多已经被严重侵蚀和被埋入地表之下的陨石坑，这些陨石坑由于难以辨认，在之前的探测中都没有能得到很好的观测。
对于火星沙尘暴在重塑现代火星环境中所扮演的角色进行了详细的考察；探测发现火星存在局部区域性古代磁场残留，证明火星在过去曾经和地球一样拥有全球性磁场，从而可以保护地面免受致命宇宙射线的冲击，并阻止气体大量向空间散逸。
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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将于2009年12月启程前往火星，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硬件视频压缩能力，可以拍摄每秒10帧的高清晰视频，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视频，配合火星通信轨道器提供的基于激光通信的超高带宽支持，火星科学实验室将会使现在正在火星上工作的双胞胎火星车勇气号和机遇号相形见绌。
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