Más tarde, aparecieron los primeros registros chinos sobre los movimientos de Marte antes de la fundación de la dinastía Zhou (1045 a.C.). y, durante la dinastía Qin (221 a.C.), los astrónomos chinos mantuvieron registros cercanos de las conjunciones planetarias, incluidas las de Marte. ​ El período y el movimiento de la órbita del planeta fue conocido en detalle durante la dinastía Tang (618 a. C.).

Los astrónomos babilónicos realizaron observaciones detalladas sobre la posición de Marte, que sirvieron para desarrollar técnicas aritméticas que predecían la posición futura del planeta. Los antiguos filósofos griegos y los astrónomos helenísticos desarrollaron un modelo geocéntrico para explicar los movimientos del planeta. Las mediciones del diámetro angular de Marte se pueden encontrar en antiguos textos griegos e indios.

La primera observación telescópica de Marte fue realizada por Galileo Galilei en 1610. Un siglo después, los astrónomos descubrieron distintas características del albedo del planeta, incluyendo el punto negro de Syrtis Major y las capas polares. con ello, se pudo determinar el período de rotación del planeta y la inclinación axial. Estas observaciones se hicieron principalmente durante los intervalos de tiempo en el que el planeta estaba situado en oposición al Sol, en los cuales Marte se acercó más a la Tierra.

Durante la década de 1920, se midió el rango de temperatura de la superficie marciana, estimando una variación desde los -85 Celsius a 7 Celsius. Se encontró que la atmósfera planetaria era árida con solo trazos de oxígeno y agua. En 1947, Gerard Kuiper demostró que la fina atmósfera marciana contenía mucho dióxido de carbono; aproximadamente el doble de la cantidad encontrada en la atmósfera de la Tierra.

Desde la década de 1960, múltiples naves espaciales robóticas han sido enviadas para explorar a Marte desde la órbita y la superficie. Los descubrimientos de meteoritos en la Tierra originados en Marte, permitieron realizar un examen de laboratorio sobre las condiciones químicas en el planeta.

El ser humano impulsado por la exploración y por la necesidad de medir los diferentes parámetros necesarios que nos ayudarán a las futuras misiones tripuladas a Marte, se han desarrollados diferentes artefactos tecnológicos para lograrlo.

Entre 1962 y 1973, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA diseñó y construyó 10 naves espaciales llamadas Mariner. El Mariner 3 nunca llegó a Marte, pero la Mariner 4 sobrevoló Marte el 14 de julio de 1965 y recogió las primeras fotografías en primer plano de otro planeta. En 1969, Mariner 6 y Mariner 7 completaron la primera misión dual a Marte, sobrevolando el ecuador y las regiones polares sur y analizando la atmósfera y la superficie marcianas con sensores remotos, además de grabar y transmitir cientos de imágenes. Sin embargo, sus imágenes de aproximación mostraron que las características oscuras de la superficie vistas desde la Tierra durante mucho tiempo no eran canales, como se interpretó una vez en el siglo XIX. Las sondas Mariner 8 y 9 fueron el tercer y último par de misiones a Marte en la serie Mariner de la NASA de la década de 1960 y principios de la de 1970, la Mariner 9 superó todos los requisitos fotográficos primarios mediante la cartografía fotográfica del 100% de la superficie del planeta.

Posteriormente,  el Proyecto Viking de la NASA, encontró un lugar en la historia cuando se convirtió en la primera misión estadounidense en aterrizar una nave espacial de manera segura en la superficie de Marte y devolver imágenes de la superficie. Además de tomar fotografías y recopilar otros datos científicos sobre la superficie marciana, los dos módulos de aterrizaje realizaron tres experimentos biológicos diseñados para buscar posibles signos de vida.

Dichos experimentos descubrieron una actividad química inesperada y enigmática en el suelo marciano, pero no proporcionaron una evidencia clara de la presencia de microorganismos vivos en el suelo cerca de los sitios de aterrizaje. Según los científicos, Marte se autoesteriliza, creen que la combinación de la radiación solar ultravioleta que satura la superficie, la extrema sequedad del suelo y la naturaleza oxidante de la química del suelo previenen la formación de organismos vivos en el suelo marciano.

El explorador Mars Pathfinder fue lanzado el 4 de diciembre de 1996 y aterrizó en el Ares Vallis de Marte el 4 de julio de 1997. llevaban instrumentos para observaciones científicas y para proporcionar datos de ingeniería sobre las nuevas tecnologías que se estaban demostrando. Se incluyeron instrumentos científicos para analizar la atmósfera marciana, el clima, la geología y la composición de sus rocas y suelo.  Se generaron 2,3 mil millones de bits de información, incluidas más de 16,500 imágenes del módulo de aterrizaje y 550 imágenes del rover, así como más de 15 análisis químicos de rocas y suelo y datos extensos sobre vientos y otros factores meteorológicos. Los hallazgos de las investigaciones llevadas a cabo por instrumentos científicos tanto en el módulo de aterrizaje como en el rover sugieren que Marte estuvo en algún momento en su pasado cálido y húmedo.

Entre su instrumental científico contaba con un espectrómetro de rayos X de protones alfa (APXS) que se colocaba sobre el suelo y en las superficies de las rocas para analizar su composición elemental, tenía tres cámaras que proporcionaron imágenes del terreno circundante para estudios geológicos, contaba con instrumentos para determinar la estructura atmosférica y un paquete de meteorología, con los cuales se midió la atmósfera marciana durante el descenso a la superficie y proporcionó mediciones meteorológicas en el módulo de aterrizaje. Proporcionó una medida precisa de la ubicación del módulo de aterrizaje y el polo de rotación de Marte.

Las mediciones sugirieron que el radio del núcleo metálico central del planeta es superior a 1.300 kilómetros, pero menos de aproximadamente 2.000 kilómetros. Determinó que el polvo en el aire es magnético y sus características sugieren que el mineral magnético es la maghemita, una forma muy magnética de óxido de hierro. Se observaron los denominados diablos de polvo (ráfagas de vientos) y se midieron con frecuencia mediante sensores de temperatura, viento y presión, estas observaciones sugirieron que estas ráfagas de viento son un mecanismo para mezclar polvo en la atmósfera. Se observaron y analizaron nubes de hielo de agua, temprano en la mañana en la atmósfera inferior.

La misión Mars Odyssey de 2001 es la nave espacial más duradera de la NASA en Marte, donde su misión incluye hacer el primer mapa global de la cantidad y distribución de muchos elementos químicos y minerales que componen la superficie marciana, han permitido a los científicos crear mapas de minerales y elementos químicos e identificar regiones con hielo de agua enterrado, también ha generado las imágenes que miden la temperatura de la superficie y han proporcionado vistas espectaculares de la topografía marciana. Al principio de la misión, Odyssey determinó que la radiación en la órbita baja de Marte, una pieza de información esencial para una eventual exploración humana debido a sus posibles efectos en la salud, es el doble que en la órbita terrestre baja.

En enero de 2004, dos geólogos robóticos llamados Spirit y Opportunity aterrizaron en lados opuestos del planeta rojo. Con un conjunto de instrumentos científicos sofisticados e idénticos, ambos exploradores han encontrado evidencia de entornos marcianos antiguos donde existían condiciones habitables y húmedas de forma intermitente.

MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN) es la primera nave espacial en realizar mediciones directas de la atmósfera marciana, lleva ocho instrumentos científicos que están tomando mediciones de la atmósfera marciana superior. El programa ExoMars (Exobiology on Mars) de la Agencia Espacial Europea (ESA) estudia la atmósfera marciana en busca de metano y otros gases que pueden estar presentes en pequeñas concentraciones.

El módulo InSight (exploración interior usando investigaciones sísmicas, geodesia y transporte de calor) es una misión del programa Discovery de la NASA que coloca un módulo de aterrizaje geofísico único en Marte para estudiar su interior profundo. Mediante el uso de sofisticados instrumentos geofísicos, InSight profundiza bajo la superficie de Marte, detectando las huellas dactilares de los procesos de formación del planeta terrestre, así como midiendo los "signos vitales" del planeta como su "pulso" (sismología), "temperatura" (sonda de flujo de calor) y "reflejos" (seguimiento de precisión).

La misión Mars 2020 Perseverance Rover es parte del Programa de Exploración de Marte de la NASA, da el siguiente paso no solo buscando signos de condiciones habitables en Marte en el pasado antiguo, sino también buscando signos de vida microbiana pasada. El rover introduce un taladro que puede recolectar muestras de núcleos de las rocas y suelos más prometedores y ponerlos a un lado en un "escondite" en la superficie de Marte, una misión futura podría potencialmente devolver estas muestras a la Tierra y eso ayudaría a los científicos a estudiar las muestras en laboratorios con equipos especiales del tamaño de una habitación que serían demasiado grandes para llevarlos a Marte.

La metrología está presente en Marte desde tiempos remotos cuando los humanos a la distancia observaron al planeta, después hemos estado por telepresencia a través de las sondas y exploradores, con instrumentos de medición que extienden nuestros sentidos en el espacio y tiempo, todos ellos calibrados con patrones trazables al Sistema Internacional de Unidades, y con el reto que tengamos la primera colonia de humanos en el 2030  nos indica que tendremos en el futuro metrólogos marcianos, que utilizaran un sistema metrológicos basado en las constantes fundamentales, donde el conocido eslogan de la metrología “una misma medida para todos los hombres y para todos los tiempos” en un futuro cercano se deberá agregar “para todos los planetas”.