Wczesne obserwacje teleskopowe
Mars był zagadką dla starożytnych astronomów, którzy byli zdumieni jego pozornie kapryśnym ruchem po niebie – czasami w tym samym kierunku co Słońce i inne obiekty niebieskie (ruch bezpośredni lub wsteczny), czasami w przeciwnym (ruch wsteczny). W 1609 r. niemiecki astronom Johannes Kepler wykorzystał doskonałe obserwacje planety prowadzone gołym okiem przez jego duńskiego kolegę Tycho Brahego, aby empirycznie wydedukować jej prawa ruchu i w ten sposób utorować drogę nowoczesnej grawitacyjnej teorii Układu Słonecznego. Kepler odkrył, że orbita Marsa jest elipsą, po której planeta porusza się ruchem niejednostajnym, ale przewidywalnym. Wcześniejsi astronomowie opierali swoje teorie na starszej ptolemejskiej idei hierarchii orbit kołowych i ruchu jednostajnego.
Najwcześniejsze teleskopowe obserwacje Marsa, w których dostrzeżono dysk planety, należały do włoskiego astronoma Galileusza w 1610 roku. Holenderskiemu naukowcowi i matematykowi Christiaanowi Huygensowi przypisuje się pierwsze dokładne rysunki oznaczeń powierzchni. W 1659 roku Huygens wykonał rysunek Marsa pokazujący główne ciemne oznaczenie na planecie, znane obecnie jako Syrtis Major. Marsjańskie czapy polarne zostały po raz pierwszy zauważone przez urodzonego we Włoszech francuskiego astronoma Gian Domenico Cassiniego około 1666 roku.
Obserwatorzy wizualni dokonali później wielu kluczowych odkryć. Okres obrotu planety został odkryty przez Huygensa w 1659 roku i zmierzony przez Cassiniego w 1666 roku i wynosi 24 godziny 40 minut – z błędem zaledwie 3 minut. Cienka atmosfera Marsa została po raz pierwszy zauważona w latach 80-tych XVII wieku przez urodzonego w Niemczech brytyjskiego astronoma Williama Herschela, który również zmierzył nachylenie osi obrotu planety i po raz pierwszy omówił pory roku na Marsie. W 1877 roku Asaph Hall z Obserwatorium Marynarki Wojennej USA odkrył, że Mars ma dwa naturalne satelity. Obserwacje teleskopowe udokumentowały również wiele zjawisk meteorologicznych i sezonowych występujących na Marsie, takich jak różne typy chmur, wzrost i kurczenie się czap polarnych oraz sezonowe zmiany w kolorze i zasięgu ciemnych obszarów.
Pierwsza znana mapa Marsa została wykonana w 1830 roku przez Wilhelma Beera i Johanna Heinricha von Mädlera z Niemiec. Włoski astronom Giovanni Virginio Schiaparelli przygotował pierwszą nowoczesną astronomiczną mapę Marsa w 1877 roku, która zawierała podstawy systemu nazewnictwa używanego do dziś. Nazwy na jego mapie są w języku łacińskim i zostały sformułowane głównie w kategoriach starożytnej geografii obszaru śródziemnomorskiego. Mapa ta pokazała również, po raz pierwszy, wskazania systemu wzajemnie połączonych linii prostych na jasnych obszarach, które opisał jako canali (włoski: „kanały”). Schiaparelli jest zwykle przypisywany do ich pierwszego opisu, ale jego rodak Pietro Angelo Secchi rozwinął ideę canali w 1869 roku. Pod koniec XIX wieku amerykański astronom Percival Lowell założył obserwatorium we Flagstaff w Arizonie, specjalnie do obserwacji Marsa, i tworzył coraz bardziej szczegółowe mapy marsjańskich kanałów aż do swojej śmierci w 1916 roku.