Early telescopic observations
Mars era um enigma para os astrónomos antigos, que estavam perplexos com o seu movimento aparentemente caprichoso através do céu – por vezes na mesma direcção que o Sol e outros objectos celestes (movimento directo, ou progressivo), por vezes na direcção oposta (movimento retrógrado). Em 1609, o astrónomo alemão Johannes Kepler utilizou as observações superiores de olhos nus do planeta pelo seu colega dinamarquês Tycho Brahe para deduzir empir empiricamente as suas leis do movimento e assim abrir caminho para a moderna teoria gravitacional do sistema solar. Kepler descobriu que a órbita de Marte era uma elipse ao longo da qual o planeta se movia com um movimento não uniforme mas previsível. Os astrónomos anteriores tinham baseado as suas teorias na antiga ideia Ptolemaic de hierarquias de órbitas circulares e movimento uniforme.
As primeiras observações telescópicas de Marte em que o disco do planeta foi visto foram as do astrónomo italiano Galileu em 1610. O cientista e matemático holandês Christiaan Huygens é creditado com os primeiros desenhos precisos de marcações de superfície. Em 1659 Huygens fez um desenho de Marte mostrando uma grande marcação escura no planeta, agora conhecida como Syrtis Major. As calotas polares marcianas foram primeiro anotadas pelo astrónomo francês de origem italiana Gian Domenico Cassini cerca de 1666.
Visuais observadores fizeram subsequentemente muitas descobertas chave. O período de rotação do planeta foi descoberto por Huygens em 1659 e medido por Cassini em 1666 para ser de 24 horas e 40 minutos – em apenas 3 minutos de erro. A ténue atmosfera marciana foi pela primeira vez observada na década de 1780 pelo astrónomo britânico de origem alemã William Herschel, que também mediu a inclinação do eixo de rotação do planeta e discutiu pela primeira vez as estações de Marte. Em 1877, o Asaph Hall do Observatório Naval dos EUA descobriu que Marte tem dois satélites naturais. Observações telescópicas também documentaram muitos fenómenos meteorológicos e sazonais que ocorrem em Marte, tais como vários tipos de nuvens, o crescimento e encolhimento das calotas polares, e mudanças sazonais na cor e extensão das áreas escuras.
O primeiro mapa conhecido de Marte foi produzido em 1830 por Wilhelm Beer e Johann Heinrich von Mädler da Alemanha. O astrónomo italiano Giovanni Virginio Schiaparelli preparou o primeiro mapa astronómico moderno de Marte em 1877, que continha a base do sistema de nomenclatura ainda hoje em uso. Os nomes no seu mapa estão em latim e são formulados predominantemente em termos da antiga geografia da zona mediterrânica. Este mapa também mostrou, pela primeira vez, indicações de um sistema de interligação de linhas rectas nas áreas brilhantes que descreveu como canali (italiano: “canais”). Schiaparelli é normalmente creditado com a sua primeira descrição, mas o seu compatriota Pietro Angelo Secchi desenvolveu a ideia de canali em 1869. No final do século XIX, o astrónomo americano Percival Lowell estabeleceu um observatório em Flagstaff, Arizona, especificamente para observar Marte, e produziu mapas cada vez mais elaborados dos canais marcianos até à sua morte em 1916.