мини|300px|Најоштрији поглед на Марс са Хабла: Иако „Фастијев прст” ACS-а смета, постигнута је просторна размера од 8 километара по пикселу при пуној резолуцији. Историја посматрања Марса обухвата записану историју посматрања планете Марс. Неки од раних записа о посматрању Марса датирају из доба староегипатских астронома у 2. миленијуму п. н. е. Кинески записи о кретању Марса појавили су се пре оснивања династије Џоу (1045. п. н. е.). Детаљна посматрања положаја Марса вршили су вавилонски астрономи који су развили аритметичке технике за предвиђање будућег положаја планете. Антички грчки филозофи и хеленистички астрономи развили су геоцентрични модел како би објаснили кретање планете. Мерења угаоног пречника Марса могу се наћи у древним грчким и индијским текстовима. У 16. веку, Никола Коперник је предложио хелиоцентрични модел за Сунчев систем у којем планете прате кружне орбите око Сунца. Ово је ревидирао Јохан Кеплер, извевши елиптичну орбиту за Марс која се тачније уклапала у податке посматрања.
Прво телескопско посматрање Марса извршио је Галилео Галилеј 1610. године. У року од једног века, астрономи су открили различите албедо карактеристике на планети, укључујући тамну мрљу Syrtis Major Planum и поларне ледене капе. Били су у стању да одреде период ротације планете и нагиб осе. Ова посматрања су првенствено вршена током временских интервала када се планета налазила у опозицији са Сунцем, у којим тачкама је Марс остваривао своје најближе прилазе Земљи. Бољи телескопи развијени почетком 19. века омогућили су детаљно мапирање трајних марсовских албедо карактеристика. Прва груба мапа Марса објављена је 1840. године, након чега су уследиле прецизније мапе од 1877. године надаље. Када су астрономи погрешно мислили да су открили спектроскопски потпис воде у атмосфери Марса, идеја о животу на Марсу постала је популарна међу јавношћу. Персивал Лоуел је веровао да може видети мрежу вештачких канала на Марсу. Касније се показало да су ове линеарне карактеристике биле оптичка илузија, а утврђено је да је атмосфера превише ретка да би подржала окружење слично Земљином.
Жути облаци на Марсу су примећени још 1870-их, за које је Ежен Мишел Антонијади сугерисао да су песак или прашина коју носи ветар. Током 1920-их измерен је опсег површинске температуре Марса; кретао се од . Утврђено је да је планетарна атмосфера сушна са само траговима кисеоника и воде. Године 1947. Џерард Кајпер је показао да ретка атмосфера Марса садржи обиман угљен-диоксид; отприлике двоструко већу количину од оне која се налази у Земљиној атмосфери. Прву стандардну номенклатуру за албедо карактеристике Марса усвојила је 1960. године Међународна астрономска унија. Од 1960-их, више роботских свемирских летелица је послато да истражују Марс из орбите и са површине. Планета је остала под посматрањем земаљских и свемирских инструмената у широком опсегу електромагнетног спектра. Откриће метеорита на Земљи који потичу са Марса омогућило је лабораторијско испитивање хемијских услова на планети.
Најранији записи мини|лево|Док Земља пролази поред Марса, ова друга планета ће привремено изгледати као да обрће своје кретање преко неба. Постојање Марса као лутајућег објекта на ноћном небу забележили су староегипатски астрономи. До 2. миленијума п. н. е. били су упознати са привидним ретроградним кретањем планете, у којем изгледа да се креће у супротном смеру преко неба од свог нормалног напредовања. Марс је приказан на таваници гробнице Сети I, на таваници Рамесеума, и на звезданој мапи Сененмута. Ова последња је најстарија позната звездана мапа, датирана у 1534. годину п. н. е. на основу положаја планета.
До периода Нововавилонског царства, вавилонски астрономи су вршили систематска посматрања положаја и понашања планета. За Марс су знали, на пример, да планета прави 37 синодичких периода, или 42 круга зодијака, сваких 79 година. Вавилонци су изумели аритметичке методе за прављење мањих корекција предвиђених положаја планета. Ова техника је првенствено изведена из мерења времена — као што је тренутак када Марс излази изнад хоризонта, а не из мање тачно познатог положаја планете на небеској сфери.
Кинески записи о појавама и кретању Марса појављују се пре оснивања династије Џоу (1045. п. н. е.), а до династије Ћин (221. п. н. е.) астрономи су водили пажљиве записе о планетарним конјункцијама, укључујући и оне Марса. Окултације Марса од стране Венере забележене су 368, 375. и 405. године нове ере. Период и кретање орбите планете били су познати до детаља током династије Танг (618. н. е.).
Рана астрономија античке Грчке била је под утицајем знања пренетог из месопотамске културе. Тако су Вавилонци повезивали Марс са Нергалом, њиховим богом рата и куге, а Грци су повезали планету са својим богом рата, Аресом. Током овог периода, кретање планета није било од великог интереса за Грке; Хесиодови Послови и дани (око 650. п. н. е.) не помињу планете.
Орбитални модели десно|мини|Геоцентрични модел универзума. Грци су користили реч planēton да означе седам небеских тела која су се кретала у односу на позадинске звезде и имали су геоцентрични поглед да се ова тела крећу око Земље. У свом делу Држава (X.616E–617B), грчки филозоф Платон дао је најстарију познату изјаву која дефинише редослед планета у грчкој астрономској традицији. Његова листа, по редоследу од најближег до најудаљенијег од Земље, била је следећа: Месец, Сунце, Венера, Меркур, Марс, Јупитер, Сатурн и фиксне звезде. У свом дијалогу Тимај, Платон је предложио да напредовање ових објеката преко неба зависи од њихове удаљености, тако да се најудаљенији објекат креће најспорије.
Аристотел, Платонов ученик, посматрао је окултацију Марса од стране Месеца 4. маја 357. године п. н. е. Из тога је закључио да Марс мора лежати даље од Земље него Месец. Напоменуо је да су друге такве окултације звезда и планета посматрали Египћани и Вавилонци.У Кини, астрономи су забележили окултацију Марса од стране Месеца 69. п. н. е. Види Price (2000:148). Аристотел је користио ове посматрачке доказе да подржи грчки редослед планета. Његово дело О небу представило је модел универзума у којем Сунце, Месец и планете круже око Земље на фиксним удаљеностима. Софистициранију верзију геоцентричног модела развио је грчки астроном Хипарх када је предложио да се Марс креће дуж кружне стазе зване епицикл која, заузврат, кружи око Земље дуж већег круга званог деферент.
У римском Египту током 2. века нове ере, Клаудије Птоломеј је покушао да реши проблем орбиталног кретања Марса. Посматрања Марса су показала да се планета креће 40% брже на једној страни своје орбите него на другој, што је било у супротности са Аристотеловим моделом једноликог кретања. Птоломеј је модификовао модел планетарног кретања додавањем тачке помераја од центра кружне орбите планете око које се планета креће униформном брзином ротације. Предложио је да је редослед планета, по растућој удаљености: Месец, Меркур, Венера, Сунце, Марс, Јупитер, Сатурн и фиксне звезде. Птоломејев модел и његов колективни рад на астрономији представљени су у вишетомној збирци Алмагест, која је постала ауторитативна расправа о западној астрономији наредних четрнаест векова.
Године 1543. Никола Коперник је објавио хелиоцентрични модел у свом делу De revolutionibus orbium coelestium. Овај приступ је поставио Земљу у орбиту око Сунца између кружних орбита Венере и Марса. Његов модел је успешно објаснио зашто су планете Марс, Јупитер и Сатурн на супротној страни неба од Сунца кад год су усред свог ретроградног кретања. Коперник је био у стању да сортира планете у њихов исправан хелиоцентрични редослед искључиво на основу периода њихових орбита око Сунца. Његова теорија је постепено добијала прихватање међу европским астрономима, посебно након објављивања Пруски таблици (Prutenic Tables) немачког астронома Еразмуса Рајнхолда 1551. године, које су израчунате коришћењем Коперниковог модела.
Дана 13. октобра 1590. године, немачки астроном Михаел Местлин посматрао је окултацију Марса од стране Венере. Један од његових ученика, Јохан Кеплер, брзо је постао присталица коперниканског система. Након завршетка образовања, Кеплер је постао асистент данском племићу и астроному Тиху Брахеу. Са приступом Тиховим детаљним посматрањима Марса, Кеплер је почео да ради на математичком састављању замене за Пруске таблице. Након што више пута није успео да уклопи кретање Марса у кружну орбиту како се захтевало у коперниканизму, успео је да усклади Тихове опсервације претпостављајући да је орбита елипса и да се Сунце налази у једном од жижа. Његов модел постао је основа за Кеплерове законе планетарног кретања, који су објављени у његовом вишетомном делу Epitome Astronomiae Copernicanae (Епитом коперниканске астрономије) између 1615. и 1621. године.
мини|усправно=.9|Дијаграм геоцентричне путање Марса кроз неколико периода привидног ретроградног кретања у делу Astronomia Nova (1609) Јохана Кеплера.
Рана телескопска посматрања При свом најближем прилазу, угаона величина Марса је 25 лучних секунди; ово је премало да би се голим оком разлучило. Стога, пре проналаска телескопа, ништа се није знало о планети осим њене црвене нијансе и положаја на небу. Телескопи су се појавили 1608. године, а у септембру 1610. италијански научник Галилео Галилеј је у својим записима навео да је почео да посматра Марс кроз телескоп. Овај инструмент је био превише примитиван да би приказао било какве површинске детаље на планети, па је поставио циљ да види да ли Марс показује мене делимичне таме сличне Венери или Месецу. Иако несигуран у свој успех, до децембра је приметио да се Марс смањио у угаоној величини. Пољски астроном Јоханес Хевелије успео је да посматра мену Марса 1645. године.
мини|Први нацртани запис марсовских карактеристика (Рукопис К), од стране Кристијана Хајгенса, посматран 28. новембра 1659. Карактеристика је вероватно Syrtis Major Planum. Хајгенс је из кретања карактеристика израчунао ротацију Марса.
Године 1636. Франческо Фонтана је нацртао прво телескопско посматрање Марса, али није приметио никакве стварне карактеристике. Године 1644, италијански језуита Данијело Бартоли известио је да види две тамније мрље на Марсу. Током опозиција 1651, 1653. и 1655. године, када је планета остварила своје најближе прилазе Земљи, италијански астроном Ђовани Батиста Ричоли и његов ученик Франческо Марија Грималди приметили су мрље различите рефлексивности на Марсу. Прва особа која је нацртала Марс са посматраним стварним карактеристикама био је холандски астроном Кристијан Хајгенс. Дана 28. новембра 1659. године, направио је илустрацију Марса која је показивала изразит тамни регион сада познат као Syrtis Major Planum, и вероватно једну од поларних ледених капа. Исте године успео је да измери период ротације планете, наводећи да је приближно 24 сата. Направио је грубу процену пречника Марса, нагађајући да је око 60% величине Земље, што се добро пореди са модерном вредношћу од 53%. Можда је први дефинитиван помен Марсове јужне поларне ледене капе дао италијански астроном Ђовани Доменико Касини, 1666. године. Исте године користио је посматрања површинских ознака на Марсу да одреди период ротације од 24h 40m. Ово се разликује од тренутно прихваћене вредности за мање од три минута. Године 1672. Хајгенс је приметио нејасну белу капу на северном полу.