Observaciones telescópicas tempranas
Marte era un enigma para los antiguos astrónomos, que estaban desconcertados por su movimiento aparentemente caprichoso a través del cielo: a veces en la misma dirección que el Sol y otros objetos celestes (movimiento directo o retrógrado), y otras veces en la dirección opuesta (movimiento retrógrado). En 1609, el astrónomo alemán Johannes Kepler utilizó las observaciones superiores del planeta realizadas a simple vista por su colega danés Tycho Brahe para deducir empíricamente sus leyes de movimiento y preparar así el camino para la moderna teoría gravitacional del sistema solar. Kepler descubrió que la órbita de Marte era una elipse a lo largo de la cual el planeta se movía con un movimiento no uniforme pero predecible. Los astrónomos anteriores habían basado sus teorías en la antigua idea ptolemaica de jerarquías de órbitas circulares y movimiento uniforme.
Las primeras observaciones telescópicas de Marte en las que se vio el disco del planeta fueron las del astrónomo italiano Galileo en 1610. Al científico y matemático holandés Christiaan Huygens se le atribuyen los primeros dibujos precisos de las marcas de la superficie. En 1659, Huygens realizó un dibujo de Marte en el que se apreciaba una importante marca oscura en el planeta que ahora se conoce como Syrtis Major. Los casquetes polares marcianos fueron observados por primera vez por el astrónomo francés de origen italiano Gian Domenico Cassini hacia 1666.
Los observadores visuales realizaron posteriormente muchos descubrimientos clave. El período de rotación del planeta fue descubierto por Huygens en 1659 y medido por Cassini en 1666, siendo de 24 horas y 40 minutos, con un error de sólo 3 minutos. La tenue atmósfera marciana fue observada por primera vez en la década de 1780 por el astrónomo británico de origen alemán William Herschel, quien también midió la inclinación del eje de rotación del planeta y habló por primera vez de las estaciones de Marte. En 1877, Asaph Hall, del Observatorio Naval de Estados Unidos, descubrió que Marte tiene dos satélites naturales. Las observaciones telescópicas también documentaron muchos fenómenos meteorológicos y estacionales que se producen en Marte, como los distintos tipos de nubes, el crecimiento y la reducción de los casquetes polares y los cambios estacionales en el color y la extensión de las zonas oscuras.
El primer mapa conocido de Marte fue elaborado en 1830 por los alemanes Wilhelm Beer y Johann Heinrich von Mädler. El astrónomo italiano Giovanni Virginio Schiaparelli preparó el primer mapa astronómico moderno de Marte en 1877, que contenía la base del sistema de nomenclatura que aún se utiliza hoy en día. Los nombres de su mapa están en latín y están formulados predominantemente en términos de la antigua geografía de la zona mediterránea. Este mapa también mostraba, por primera vez, indicaciones de un sistema de interconexión de líneas rectas en las zonas brillantes que él describió como canali (italiano: «canales»). Se suele atribuir a Schiaparelli su primera descripción, pero su compatriota Pietro Angelo Secchi desarrolló la idea de los canali en 1869. A finales del siglo XIX, el astrónomo estadounidense Percival Lowell estableció un observatorio en Flagstaff, Arizona, específicamente para observar Marte, y produjo mapas cada vez más elaborados de los canales marcianos hasta su muerte en 1916.