Eerdere telescopische waarnemingen
Mars was een raadsel voor oude astronomen, die verbijsterd waren over zijn schijnbaar grillige beweging langs de hemel – soms in dezelfde richting als de zon en andere hemellichamen (directe, of prograde, beweging), soms in de tegenovergestelde richting (retrograde, beweging). In 1609 gebruikte de Duitse astronoom Johannes Kepler de superieure blote-oog waarnemingen van de planeet door zijn Deense collega Tycho Brahe om de bewegingswetten van de planeet empirisch af te leiden en zo de weg te bereiden voor de moderne gravitatietheorie van het zonnestelsel. Kepler ontdekte dat de baan van Mars een ellips was waarlangs de planeet zich bewoog met een niet-uniforme maar voorspelbare beweging. Eerdere astronomen hadden hun theorieën gebaseerd op het oudere Ptolemaeïsche idee van hiërarchieën van cirkelbanen en uniforme beweging.
De vroegste telescopische waarnemingen van Mars waarbij de schijf van de planeet te zien was, waren die van de Italiaanse astronoom Galileo in 1610. De Nederlandse wetenschapper en wiskundige Christiaan Huygens wordt gecrediteerd met de eerste nauwkeurige tekeningen van oppervlaktemarkeringen. In 1659 maakte Huygens een tekening van Mars waarop een grote donkere vlek te zien was op de planeet die nu bekend staat als Syrtis Major. De poolkappen van Mars werden voor het eerst opgemerkt door de in Italië geboren Franse astronoom Gian Domenico Cassini omstreeks 1666.
Visuele waarnemers deden vervolgens vele belangrijke ontdekkingen. De rotatieperiode van de planeet werd in 1659 door Huygens ontdekt en in 1666 door Cassini gemeten op 24 uur en 40 minuten – met een fout van slechts 3 minuten. De ijle Marsatmosfeer werd in de jaren 1780 voor het eerst opgemerkt door de in Duitsland geboren Britse astronoom William Herschel, die ook de kanteling van de rotatieas van de planeet mat en voor het eerst de seizoenen van Mars besprak. In 1877 ontdekte Asaph Hall van het U.S. Naval Observatory dat Mars twee natuurlijke satellieten heeft. Telescopische waarnemingen documenteerden ook veel meteorologische en seizoensgebonden verschijnselen die op Mars voorkomen, zoals verschillende wolkentypes, het groeien en krimpen van de poolkappen, en seizoensgebonden veranderingen in de kleur en omvang van de donkere gebieden.
De eerste bekende kaart van Mars werd in 1830 gemaakt door Wilhelm Beer en Johann Heinrich von Mädler uit Duitsland. De Italiaanse astronoom Giovanni Virginio Schiaparelli maakte in 1877 de eerste moderne astronomische kaart van Mars, die de basis bevatte van het nomenclatuursysteem dat vandaag de dag nog steeds in gebruik is. De namen op zijn kaart zijn in het Latijn en zijn overwegend geformuleerd in termen van de oude geografie van het Middellandse-Zeegebied. Op deze kaart waren ook voor het eerst aanwijzingen te zien van een stelsel van onderling verbonden rechte lijnen op de heldere gebieden, die hij beschreef als canali (Italiaans: “kanalen”). Schiaparelli wordt gewoonlijk gecrediteerd voor hun eerste beschrijving, maar zijn landgenoot Pietro Angelo Secchi ontwikkelde het idee van canali in 1869. Aan het eind van de 19e eeuw richtte de Amerikaanse astronoom Percival Lowell een observatorium op in Flagstaff, Arizona, speciaal om Mars te observeren, en hij produceerde tot aan zijn dood in 1916 steeds uitgebreidere kaarten van de kanalen op Mars.