2001年4月7日，美國發射了“火星奧德賽”飛船，於2001年10月24日到達火星，繪製了火星表麵化學元素和礦物的分布圖形，尋找火星的水源。
2003年6月2日，歐洲空間局發射了“火星特快”飛船，同樣將探測火星是否有水作為重要目標。
2003年，美國航空航天局先後發射了兩個火星探測車“機遇號”和“勇氣號”，並在2004年1月在火星安全著陸後，就不斷地向地球發回前所未有的清晰的火星大地圖片。當初預定這2台探測車的工作時間為3個月。但是過了三年半，現在它們仍然順利地在繼續執行觀測使命(雖然也出現過一些問題，但最終還是頑強地“活”了下來)。
“勇氣號”和“機遇號”火星探測車在火星探測中做出的最精彩的表現是分別發現和確認火星過去曾經有液態水，而且可能是大洪水。
如“勇氣號”於2005年3月20日(第431個火星日)拍攝了被它碾壓過的沙地，沙地呈白色，是一種含硫酸鹽較多的物質，這是曾經有過水的有力證據。“機遇號”同樣發現和拍攝了火星上曾經有過液態水的圖片，如在2005年11月23日至12月5日拍攝的多幅圖片中，可以清楚地看到岩石表麵具有明顯的沉積岩特性，屬於水成岩，因此，可確認火星在過去有過液態水。“機遇號”
發現火星上過去存在過水或大洪水的證據還有多處：如“機遇號”拍到的一些圖片顯示，其著陸地周圍的岩石上嵌有球形顆粒“藍莓果”，經過研究，科學家們認為它們可能是被水浸泡過的多孔岩石中所溶解礦物的凝結物等。
精彩表現之二是“機遇號”火星探測車在高低起伏的火星表麵行走，在駛過一個又一個沙丘時，曾一度被陷在兩個沙丘之間的窪坑裏動彈不得，困在那裏長達一個多月。但最終還是在美國航空航天局工程技術人員的幾度努力下，找到脫身的方法，終於被解救出來，一直工作到現在。據有關資料介紹，“勇氣號”和“機遇號”火星探測車至今“筋骨”硬朗，仍在執行觀測、拍片的使命。
精彩表現之三火星上多塵埃、沙土。“勇氣號”探測車在一處名為“丈夫山”的地方“抓拍”到火星上的龍卷風。因此，作為火星探測車動力源的太陽能電池板上必然會留存大量的沙塵而導致電池板失效，屆時，探測車就“無能為力”了。但結果正相反，龍卷風把太陽能電池板上的沙塵吹幹淨了。這應該是兩架探測車能夠如此超長期服役的原因之一。
2007年，美國國家航空航天局的“鳳凰”號啟程前往火星，並在經曆將近一年、6.75億千米的旅程之後，已在2008年5月25日成功登陸火星北極。主要任務是尋找火星土壤中可能存在的生命跡象。
美國國家航空航天局的火星科學實驗室於2011年11月25日啟程前往火星，它於2012年8月6日在火星表麵著陸，有6個輪子，擁有前所未有的機動性能，並且使用核能提供電力，至少在火星表麵工作一個火星年的時間。同時，火星科學實驗室還攜帶各種先進的儀器，它配有200萬像素的主照相機，配合10倍光學變焦鏡頭和三色真彩色感光能力，將可以拍攝到超高清晰度的全景照片，同時這部相機還將內置MPEG-2硬件影片壓縮能力，可以拍攝每秒10畫格的高清晰影片，相機本身將配有至少256MB內存和8GB閃存以暫時保存拍攝的照片和影片，配合火星通信軌道器提供的基於激光通信的超高帶寬支持，火星科學實驗室將會使現在正在火星上工作的雙胞胎火星車“勇氣號”和“機遇號”相形見絀。
美國的火星樣本取回任務計劃將於2013年實施，計劃於2016年將半千克左右的火星土壤和岩芯樣本送回地球作進一步研究。這個計劃包括一個環繞火星軌道運行的返回裝置和一到兩個著陸裝置，著陸裝置可能配備有可以小範圍移動的火星車，如果那時火星科學實驗室仍然可以工作，可能也會利用火星科學實驗室在大範圍內提前采集樣本，或者再發射一枚類似火星科學實驗室的火星探測車用於這個目的。采集樣本以後，樣本將會被一枚小型火箭發射到火星軌道，與返回裝置對接，這個對接也可能不隻一次，然後由它將樣本一次性送回地球。
2018年的火星任務將是一個著陸器，用於尋找火星上可能存在生命的證據。
2020年將會有更多的樣本返回任務實施，用於將火星樣本送回地球。