火星およびその大気や、火星の衛星の観測・調査を目的とする探査機。打上げのチャンスは約26ヵ月おきの火星の接近時に訪れる。1962年11月ソ連が発射した自動惑星間ステーションマルス１号が最初で、次の機会の1964年11月にソ連はゾンド２号を打ち上げたが、両者ともに電波連絡が切れたりして失敗。米国が1964年11月に発射したマリナー４号は1965年７月14日に火星に接近、クレーターなどの写真約20枚の撮影と電送に成功。1969年２月にマリナー６号、３月に７号を、さらに1971年５月８日に８号（失敗）、同月30日に９号を打ち上げた。以降は、ソ連のマルス２〜３号（1971年）、マルス４〜７号（1973年）、米国のマリナー９号（1971年）【火星の衛星となって約３ヵ月周回し，7329枚の写真を地球に送信】、マリナー10号（1973年）、バイキング１〜２号（1975年）【バイキング１〜２号は火星の人工衛星となってから着陸船を切り離し，火星表面への軟着陸に成功，火星上に生物が存在する兆候を調査】が打ち上げられた。その後の火星探査機には，火星の衛星フォボスの探査を目的にソ連が1988年に打ち上げたフォボス（１号、２号）、米国のマーズ・オブザーバー（1992年、失敗）、マーズ・グローバル・サーベイヤー（1996年）、マーズ・パスファインダー【1997年火星着陸に成功し，21年ぶりに直接観測データを地球に送信】がある。