Sao Hỏa được phát hiện bằng cách quan sát trực quan mà không cần dụng cụ. Lần đầu tiên đề cập đến các quan sát sao Hỏa xảy ra trong các ghi chép của người Ai Cập cổ đại có niên đại hàng nghìn năm. Năm 1610, Galileo Galilei là người đầu tiên quan sát sao Hỏa qua kính viễn vọng.
Vì sao Hỏa có thể nhìn thấy bằng mắt thường, nên không thể biết ai là người đầu tiên phát hiện ra hành tinh này, mặc dù các nhà thiên văn học Ai Cập đã cung cấp những quan sát bằng văn bản đầu tiên được biết đến. Sao Hỏa được mô tả trong lăng mộ của pharaoh Seti I, người qua đời vào khoảng năm 1279 trước Công nguyên. Nó cũng xuất hiện trên bản đồ sao trong lăng mộ của một kiến trúc sư Ai Cập cổ đại tên là Senenmut. Đến năm 1045 TCN, các nhà thiên văn Trung Quốc cũng đã ghi lại những quan sát về chuyển động của Sao Hỏa. Các nhà thiên văn học Babylon đã lưu giữ hồ sơ chi tiết về các quan sát sao Hỏa trong thời kỳ Đế chế Tân Babylon bắt đầu vào khoảng năm 625 trước Công nguyên. Plato đã liệt kê sao Hỏa theo thứ tự các hành tinh của ông trong cuốn "The Republic", được xuất bản vào khoảng năm 380 trước Công nguyên.
Mặc dù Galileo đã sử dụng kính thiên văn để nghiên cứu sao Hỏa, nhưng ông không thể phân biệt chi tiết bề mặt. Năm 1659, nhà thiên văn học người Hà Lan Christiaan Huygens lần đầu tiên minh họa các đặc điểm địa hình của sao Hỏa. Kể từ thời điểm đó, nhiều nhà thiên văn học đã ghi nhận các chi tiết bổ sung trên bề mặt hành tinh. Năm 1965, tàu vũ trụ Mariner 4 của NASA bay gần sao Hỏa và chụp được những bức ảnh chi tiết. Năm 1976, các tàu vũ trụ Viking 1 và Viking 2 của NASA đã hạ cánh xuống sao Hỏa và gửi lại các bức ảnh từ bề mặt hành tinh. Ba tàu vũ trụ quay quanh sao Hỏa và hai robot du hành trên bề mặt thu thập hình ảnh và thông tin, kể từ năm 2014.
