第一次成功发往火星的行星探测器是美国1964年11月28日发射的“水手4号”。次年7月，“水手4号”飞近这颗
水手4号红色行星，距离表面9,846公里。该探测器摄取了22张火星的特写照片，它首次确认了火星表面陨石坑的存在。
探测过程重量为260 kg的“水手4号”（MARINER 4）太空船，由ATLAS LV－3A运载火箭成功地自卡纳维尔角发射升空，首先进入环绕地球的轨道后，在朝向火星飞去执行火星探测的任务。
水手4号
“水手4号”经过228d的长途旅行，于1965年7月14日飞抵距火星地表仅9846 km的高度，首度地摄取了21张火星近距离照片，涵盖了整个火星地表的1％。
所有影像之传输需经8.3 h始抵达地球的接收站，为防止影像传输上有所失误，所有影像均传运两次以确保影像品质。
自1965年10月1日起，所有装置于“水手4号”上计划中的测试项目均如预期成功地运作，并陆续地传回了520万笔数据资料，由传回的资料显示，火星并无磁场的存在。由于系统能源供应逐渐耗尽，加之以传输讯号渐趋微弱，终于在1967年12月21日与“水手4号”失去联系。
水手计划水手号计划是由美国太空总署所主导的计划。在此计划中发射了一系列为火星、金星、水星而设计的无人太空船。这个计划夺得多项第一，包括：第一次星际飞越(flyby)、第一个行星orbiter以及第一个以重力加速航行的太空船。
在水手号计划系列中十个飞行器中，七个成功三个失败。原本计划的水手11号及水手12号演变成航海家计划中的航海家1号及航海家二号，而维京1号及维京2号火星轨道太空船则是放大版的水手9号太空船。从航海家系列之后基於水手号设计的太空船还包括前往金星的麦哲伦号、前往木星的伽利略号。被称为Mariner Mark II的第二代水手号太空船最终演变成为目前正环绕土星的卡西尼号。最近发射前往冥王星的新地平线号，虽然大致基於简化的先锋10号、先锋11号，但也有部份特征源自水手号系列，包括三轴稳定器（3-axis stabilization）及一个航海家、卡西尼号式的通讯碟型天线。
“水手9号”在经历了5个半月的飞行之后，于1971年11月13日抵达火星。这是第一次行星际宇宙飞船真正围绕另一行星作轨道运行。数星期内，由于大规模的尘暴将整个行星遮得严严实实，“水手9号”无法拍摄火星表面的照片。但是，在近一年的努力之中，“水手9号”绘制出了火星的地形，摄得火星的卫星火卫一和火卫二的照片。
“水手9号”发射回来的7,329张照片揭示出一颗寒冷的布满尘埃的行星，有着坑坑洼洼的表面，被死火山、大峡谷和极冠所统治着。最令人惊奇的是这样一个发现：看似干涸已久的河床在某一时期曾拥有丰富的水源。发向地球的照片反驳了火星上存在运河的观点，使科学家作出结论，这颗红色行星上并没有生命存在的明显迹象。
所有影像之传输需经8.3小时始抵达地球的接收站，为防止影像传输上有所失误，所有影像均传递两次以确保影像品质。