火星的云不像地球那么多又较厚实，由于冷、干、气压低，火星的云通常不多且薄，有些是水冰构成，有些是干冰构成，如果参杂沙尘则由白色变成黄色的黄云，另外一些常见的云，如：塔尔西斯山区和埃律西姆山区的山云、哈伯太空望远镜中常见的赤道云、火星边缘的蓝色云霭等。
古人观测火星时，认为火星在位置上及亮度上都常变不定，故又称“荧惑”，在星占学上象征残、疾、丧、饥、兵等恶象。“荧惑守心”是火星留守在“心宿”（天蝎座）的天文现象，“心宿”主要是有三颗星，中间这颗最亮，代表皇帝，旁边的两颗代表太子、庶子，“荧惑守心”是一个很罕见的天象，被认为是最不祥，可能出现两种结果一是皇帝驾崩，或是宰相下台。西汉成帝绥和二年（7年），天文台观测到了“荧惑守心”的天象，宰相翟方进被汉成帝赐了毒酒自杀。翟方进死没几天，汉成帝突然暴毙[3]，王莽后来称帝，翟方进之子翟义起兵反王莽。中国史籍中记载“荧惑守心”记录共二十三次，中国历史上所有实际发生过的“荧惑守心”天象共三十八次。
迄今，人类已发射了约30个火星探测器。从1962年苏联发射火箭号系列探测器、1964年美国发射水手号系列探测器起，开始了探测火星的历程。
苏联于1962年11月1日发射火星1号探测器。这个火星探测器高3.3米，直径1.1米，重863千克，装有拍摄火星表面照片并传回地面的摄像装置，还有考察火星上有机物、磁场、辐射带等观测仪器。4个月后，它在距离地面1亿多千米的地方与地面通信中断，没有完成探测任务。1971年5月10日和28日发射的火星2号和3号探测器，半年后进入火星轨道，其中火星3号着陆舱还在火星表面软着陆，虽然仅发送20秒钟电视信号，但它是第一个到达火星表面的探测器。1973年7月26日发射的火星5号于1974年2月12日进入火星轨道，成为火星的人造卫星，发回首批火星照片。1973年8月5日发射的火星6号，在着陆过程中对火星大气进了观测，发回了火星大气参数。1973年8月9日发射的火星7号于1974年3月9日在距火星1300千米处飞过，但该火星着陆器发生故障，使登陆失败。15年后，1988年7月7日和12日前苏联又相继发射福波斯1号和2号两个火星探测器，但它们在太空飞行200天到达接近火星的轨道后与地面失去联系，探测失败。
美国从1964年起发射水手号系列探测器，其中有4个成功地探测了火星。1964年11月28日升空的水手4号于1965年7月14日从离火星约1万千米的地方掠过，第一次对火星作了近距离考察，探测到火星的大气密度不足地球的1%，还拍摄了212张照片，从中可鉴别出火星的约300个火山口，火星表面布满环形山和沙漠。1969年2月24日和3月27日发射的水手6号和7号，于7月31日和8月4日在距火星约3400千米处飞过，对火星的大气成分和结构作了探测，发现火星上到处是沙漠和大大小小的含铁硅酸盐岩石。1971年5月30日发射的水手9号于11月14日进入火星轨道飞行，拍摄了70%的火星表面，传回7000多张火星照片。其中第一张照片从根本上否定了火星存在运河的说法，因为从照片上看到的是如同沙漠里一样的由火星风形成的沙粒带状条纹。这些照片只发现了许多干涸的河床，其中有的长达1500千米，宽200千米，这表明火星上可能曾经存在过液态的水。水手9号拍摄的火星照片，为后来海盗号在火星着陆探测选定了地点。
1975年8月20日和9月9日，美国先后发射两个海盗号探测器。它们在进入火星上空时轨道舱绕火星飞行，着陆舱则在火星表面上软着陆，1976年7月20日和9月3日它们先后在火星软着陆后，着陆舱经轨道舱中继向地球发回探测数据。共发回5万多张火星照片。还对火星表面的土壤取样化验分析，结果表明，火星上没有发现任何生命存在的痕迹，也未探测到火星上有任何有机分子。
20世纪90年代，世界上又掀起新一轮火星探测热潮。美国于1996年12月4日发射了“火星探路者”探测器，它于1997年7月4日在火星的阿瑞斯谷地登陆，并用其携带的“索杰纳”火星车在火星上实地考察，获得很大成功。