在充分汲取过去已执行项目和目前正在执行探测项目的经验教训，美国宇航局的火星探测计划正计划建立起一套在火星长效化存在的机制。其中包括用于进行火星全球性观测并执行通讯中继任务的轨道器，以及在地面上的火星移动实验室，钻地考察的机器人，并最终实现在火星进行土壤和岩石样本的取样返回，乃至载人火星飞行。
在国际合作前提下，长期的火星探测规划旨在回答一些关键性的问题，并确保在资源有限的情况下开发出探测火星所需的相应技术。这项计划的战略是寻求揭开有关火星过去和现在的环境状况，水在这一环境中所扮演的角色和它的丰度，以及过去和现在潜在的生命宜居环境。
以下便列出美国宇航局及其国际合作伙伴近期执行完成的，或是目前仍在进行中的，以及在不久的将来即将执行的火星探测项目：
1.海盗号(1975年)
海盗号
1975年8月20日和9月9日，美国发射了两个海盗号探测器，用于探索火星上有无生物。这两个探测器由轨道飞行器和登陆舱组成，长为5.08米，重3530千克，其中轨道飞行器重2330千克，登陆舱重1200千克，用三脚支撑，装有生物化学实验箱、测量挖掘设备、两台电视摄像机、机械手和电源。
海盗1号和2号分别于1976年7月20日和9月3日在火星表面软着陆成功，40分钟后就将第一张火星彩照发回地球。它们分别在火星上工作了六年和三年，对火星进行了考察和拍照，共发回五万多幅火星照片，分辨率高达200米。四次探测有无生命存在的实验中，没有发现任何高级生命痕迹，从而排除了有关火星人的推测。
2、火星探路者(Mars Pathfinder，1996年12月~1998年3月)
火星探路者
“火星探路者”是美国宇航局旨在实现低成本行星探测的“发现计划”旗下首个探测器，它制定了明确的科学目标，拥有雄心勃勃的计划并最终超额完成了任务。这一探测器在着陆火星地表之后成功地释放出“索杰纳”火星车，着陆器和火星车两者一共发回了23亿比特的信息。这些信息中包括超过1.7万张照片，超过15条对周围岩石和土壤的化学分析数据，以及大量有关着陆地点风和其它气候状况的纪录数据。此次观测显示早期历史上的火星环境可能更加和地球相似，其地表可能曾经存在液态水，并且大气层浓度也要高于现在。整个任务在火星表面持续了3个月，远远超出了原先计划中为着陆器制定的30天任务期限和为火星车制定的7天任务期限。
3、火星环球勘测者(Mars Global Surveyor，1996年11月~2006年11月)
火星环球勘测者
1999年3月份到2001年1月份，火星环球勘测者执行火星全球制图任务，在此期间它发回的数据量超过了历史上之前所有火星探测计划收集数据的总和。随后由于探测器依旧状态良好，它先后经过了3次延长任务期，在此期间对火星地表和全球气候模式展开持续观测，打破了在火星持续工作时间最长的纪录。最后它开始执行第4个延长任务期，直到最后，在迎来它在火星工作10周年纪念日之前仅仅5天，MGS探测器不幸与地球失去联络。
火星环球勘测者在它的整个任务期间一共发回超过24万张照片，2.06亿条光谱学测量数据，以及6.71亿条激光高度测量数据。这一探测器所取得的一些重要成果包括：在火星地表观测到大面积的沉积层构造；发现了古代遗留的河流三角洲；发现一些河道，其中一部分显示活动迹象，暗示在近期仍然存在液态水活动；确认了一些通常形成于潮湿环境中的矿物结核体，从而帮助美国宇航局的机遇号火星车最终选定了其着陆考察地点；其激光高度数据最终生成了一份几乎覆盖火星全球的高分辨率地形图，确认了火星各地的高程以及斜坡数据；详细观测了大量陨石坑，包括发现并确认很多已经被严重侵蚀和被埋入地表之下的陨石坑，这些陨石坑由于难以辨认，在之前的探测中都没有能得到很好的观测；对于火星沙尘暴在重塑现代火星环境中所扮演的角色进行了详细的考察；探测发现火星存在局部区域性古代磁场残留，证明火星在过去曾经和地球一样拥有全球性磁场，从而可以保护地面免受致命宇宙射线的冲击，并阻止气体大量向空间散逸；火星环球勘测者还收集了大量详细数据，帮助后续的火星探测器“凤凰号”选定着陆地点，分析了其中的风险和收益因素。在孪生火星车勇气号和机遇号着陆过程中和着陆后，火星环球勘测者还承担起数据中继卫星的任务。
4、火星奥德赛(Mars Odyssey，2001年4月，至今)
火星奥德赛这一颗美国宇航局所属的轨道器于2002年3月份开始全球观测任务。其上搭载的伽马射线分光计不久之后便探测到确凿证据证明在火星南北两极高纬度地区地表下方存在水冰与表土混合物，其中的水冰含量约为20%。随后，其中一片永冻土地区被选定为凤凰号火星着陆器的探测地点，其主要目的便是验证火星奥德赛探测器的探测结果。火星奥德赛的相机系统通过可见光和红外波段对火星进行了全球观测，辨识火星岩石和土壤中的矿物成分，并据此编制了目前分辨率最高的火星全球矿物分布图。对于火星夜间半球进行的红外线观测则让科学家们了解这些地区在日落之后降温的速度有多快，这可以帮助我们判断某一地点地表是裸露的岩石还是覆盖着尘土。
火星奥德赛搭载的设备对火星大气层进行了超过10年的连续观测，包括对不发生冷凝的气体，如通过检测微量气体氩来反演火星的大气循环模式。火星奥德赛探测器还对轨道高度上的高能辐射环境进行了监测，目的是了解未来的火星探测项目乃至载人火星飞行时将可能面临的辐射环境。奥德赛探测器的探测结果帮助圈定了火星车的着陆区，包括勇气号，机遇号，凤凰号以及即将抵达火星的好奇号。并且火星奥德赛探测器也是勇气号，机遇号和凤凰号和地球之间实现通讯联系的重要数据中继站，勇气号和机遇号火星车的探测数据有超过95%是通过这一数据中继站发回地球的。这一探测器现在已经成为有史以来人类发射往火星的，仍在工作的寿命最长的探测器，今后这员老将还将继续在火星工作，并为好奇号火星车的着陆和工作提供支援。
5、火星车-勇气号(MER-Spirit，2003年6月~2010年3月)
MER火星车勇气号是美国宇航局一对孪生火星车中的“姐姐”，这是一位机器人地质学家，它的任务是前往火星实地考察，找出火星环境历史的线索——尤其是要在经过精心挑选的地点寻找水的历史。这两个火星车的设计寿命都是3个月，但是它们两个最终都持续工作了数年之久。勇气号在古塞夫陨石坑内展开考察，这是一个已经高度风化的陨石坑，直径150公里。之前轨道器的观测显示这一陨石坑在过去可能曾经是一个湖泊，其水源来自注入其中的一个河流网，这一河道网源自南部的一个高地。勇气号于2004年1月4日着陆，着陆地是一个平坦的火山平原，到处遍布小型陨石坑和松散的岩石。
在这里，勇气号发现大量的玄武岩，这些岩石仅仅显示极微弱的潮湿气候风化痕迹。到2004年6月份，当勇气号在执行其首个延长任务期时，它抵达了一座被称作“哥伦比亚山”的小山脚下，这座山距离它的着陆地点有2.6公里的距离，勇气号历经千辛万苦来到这里，目的是探寻这里可能存在的基岩。它在这里考察期间发现了大量显示明显水环境暴露历史痕迹的岩石和土壤，包括发现一种铁的氢氧化物针铁矿，以及水合硫酸盐。它还发现一个富含碳酸盐的岩石露头，这显示这里曾经存在非酸性的潮湿环境。在山间的一块低地上，勇气号发现这里岩石上的纹理和组成中隐藏的证据，证明在地质历史早期这里曾经发生过在爆发的火山附近发生的液态水与炙热岩石之间的相互作用。
由于在长达3年多的考察期间严重磨损，勇气号的一个轮子无法继续转动，但是它拖着这个轮子继续蹒跚前行，展开科学考察，甚至因此有了意外的收获——这只拖行的轮子无意间刨开了松散的地面，暴露出下面埋藏的几乎纯净的二氧化硅沉积物。这一发现显示这里曾经存在热泉或蒸汽喷口。在地球上，这样的场所是微生物生存的理想地点。2009年6月份，勇气号由于第二个轮子也发生故障，不幸陷入一片沙地无法动弹。这一事故是致命的，因为勇气号使用太阳能驱动，要想度过严酷的火星南半球冬天，它必须找到一片朝北的向阳坡地，让太阳能板充分受到阳光光照，但是由于它困在了这片沙地里，无法抵达科学家们为它精心选定的过冬地点，勇气号在冬季来临时终于没能熬过去，就在这里永远和地球上的控制中心失去了联系。
机遇号(MER- Opportunity，2003年7月~现在)
机遇号的着陆地点是子午线平原，早先美国宇航局的火星勘测轨道器搭载的光谱仪已经在这一地区探测到大量的赤铁矿出露，这种矿物通常需要在有水存在的情况下才能形成。2004年1月25日，机遇号成功降落在一个直径仅有大约22米的陨石坑里，并且立即就在着陆点周围发现了沉积岩层的露头。在接下来的数周内，机遇号对这片沉积岩层的考察终结了人们有关火星表面是否曾经有过长时间的流水存在的争论。这些岩层所展示的组成和纹理特征都显示这些岩石不仅曾经被水浸透，事实上它们甚至还曾经被浸没在轻微流动的水体中。从2004年6月份开始的6个月内，机遇号对另一个体育场大小的陨石坑——“坚忍”陨石坑内暴露出的深层沉积岩层展开详细考察，这一陨石坑距离机遇号的着陆点有大约700米。这些岩层显示它们都曾被水浸透，但是纹理特征也显示它们曾经经历过一段时期的干燥阶段。也就是说，风沙覆盖的干燥时期以及流水浸透的潮湿时期在这一地点曾经交替发生。
在对自己降落时丢弃的隔热罩以及一个在其着陆点附近发现的铁镍陨石进行考察之后，机遇号一路向南行进超过6公里，它的目标是一个更大更深的陨石坑——维多利亚陨石坑。在这里，机遇号得以对埋藏更深，因而距今年代更加久远的岩层进行考察。在机遇号的考察地点发现了富硫矿物，显示这里曾经存在酸性环境。在2008年年中，机遇号出发前往一个直径22公里的陨石坑——奋进号陨石坑，轨道器已经在这里观测到粘土矿物的信号，粘土矿物的形成一般和水有关，显示这里曾经存在酸性相对较弱的水环境。2011年8月份，机遇号行驶的总里程已经超过34公里，它终于抵达奋进号陨石坑的边缘，开始了它火星科考生涯的新阶段。在这里，机遇号发现了水中沉积作用形成的石膏矿脉，这些发现再次显示出可移动且性能耐久的火星车在科学考察方面的巨大优势。
6、火星快车(Mars Express，2003年6月——现在)
火星快车这是欧空局发射的一颗火星轨道器，美国宇航局提供了其搭载的7台设备中的两台：一台透地雷达，以及一台测量太阳风如何吹走火星外层大气中的水汽的设备。这一轨道器于2003年12月入轨，2004年1月份开始不断传回火星的立体彩色图像和其它数据。其搭载的可见光和近红外波段光谱仪发现了粘土矿物信号，显示在火星地质历史上曾经存在较之于机遇号所考察区域酸性更弱的含水环境。科学家们根据火星快车以及随后的火星勘测轨道器(MRO)发回的数据构建了一系列火星早期历史中全球性水环境的变化序列，这一做法和之前认为的火星仅具备偏酸性水环境的看法有所区别。
与此同时，科学家们借助其搭载的热红外光谱仪数据，经过拟合数百万条光谱数据，不断改进信噪比之后，发现火星大气中存在甲烷。科学家们目前认为这一点说明火星上有某种机制正在不断向大气补充甲烷气体，因为甲烷气体在大气中不稳定，会很快分解而无法被探测到，因而这次探测到甲烷正好就说明了这一补充机制正在发挥作用。这种补充来源可能是生物的或非生物的活动，它的不断补充保证了甲烷在火星大气中的持续存在。这些发现对于研究火星过去和现在的宜居条件具有重要意义。2005年6月份探测器展开雷达天线，在随后的考察中它对两极地区含水的沉积层进行了研究。
7、火星勘测轨道器(Mars Reconnaissance Orbiter，2005年8月~现在)
火星勘测轨道器这艘多功能飞船的主要任务是用前所未有的高分辨率对火星的地表，近地表以及大气层展开全面观测。2006年3月，火星勘测轨道器抵达火星，此后在地面的精心测算下，飞船共计426次降落至火星大气层边缘，利用火星大气层的摩擦调整其轨道的形状和高度位置。2006年11月，火星勘测轨道器正式开始科学考察工作。这艘飞船经过专门设计，用以发回由其搭载的高清晰成像设备和光谱仪获取的海量数据。事实上，MRO探测器发回的数据量也确实是惊人的：到目前为止，它已经发回的探测数据量已经超过了人类历史上所有飞往月球轨道之外的探测器所获取的所有探测数据总和的3倍以上。美国宇航局的深空测控网已经收到超过130TB的数据，其中包括由其搭载的6台科学设备在前5年工作时间内拍摄的超过7万张照片。MRO的探测结果显示火星历史中可以被划分为3个非常不同的时期。
观测显示火星上不同类型的水环境形成了广泛分布的水成矿物，包括粘土，硫酸盐以及碳酸盐，这些矿物在早期火星历史上遍布全球。在更近的古代，火星上的水似乎以水汽的形式扮演了在两极的冰盖和低纬度地区冰雪循环的角色。雷达观测显示火星地表下似乎存在周期性的层状特征，这可能是由于火星自转轴的周期性变化和轨道的周期性倾角变动造成的。这些周期调整着火星极地受到的太阳热量，火星上这种调节的幅度影响要大于地球的情况。火星上夜会出现冰期，持续时间为数千年至数百万年。雷达观测还发现在火星南极冰盖下埋藏着大量的二氧化碳干冰，这些干冰如果完全升华进入大气，将会让今天火星大气中的气体总量增加一倍。观测显示火星上现在仍然有新的陨石坑，新的山崩和沙尘暴不断出现，这说明火星即使在今天仍然是一个充满活力的星球。这些观测已经为未来的考察项目圈定了很多具有高度潜在科学价值的地点。
除此之外，这一轨道器上搭载的高分辨率相机提供的信息让着陆器和火星车得以避开危险地带，如岩石和陡坡，而期搭载的大气监测设备获得的数据则让研究人员得以用来评估未来着陆和在火星表面开展行动时将会面临的环境因素。MRO轨道器提供的观测确保了凤凰号着陆器能够选定一个比原计划所选地点岩石散落更少的平坦地点降落，从而确保了着陆顺利成功。它还帮助好奇号进行了先期的降落地点挑选工作，并且将在好奇号的降落过程中提供数据中继支持，并在未来好奇号的工作过程中为它提供支援。
8、凤凰号火星着陆器(Phoenix Mars Lander。2007年8月~2008年11月)
凤凰号火星着陆器2001年，美国宇航局宣布了一个新的项目，各个科学机构可以提交各自的火星探测方案进行竞争，宇航局将会最终确定入选方案并给予资金并执行，这就是“火星侦察兵项目”。而凤凰号火星探测器项目就是根据这一计划实施的第一项考察计划。它是由来自亚利桑那大学一个由皮特·史密斯(Peter Smith)教授领衔的科研团队提交的方案，并在2003年从25个候选方案中被选中，最终于2007年发射实施的探测计划。
这项方案是向火星发射一颗固定的着陆探测器，它装备有一条用于挖掘的机械臂以及一系列科学考察仪器，可用于考察火星夏季北极地区的环境。凤凰号确认并考察了之前由火星奥德赛探测器探测到的埋藏浅地表的水冰。它还确认这里存在碳酸钙，说明这里会发生偶发性的融水。这一着陆器这里的土壤化学暗示有生命宜居的环境条件，并且还观测到火星上的降雪。
整个任务期间最让人意外的是它发现了高氯酸盐，这是一种氧化剂，在地球上是一些微生物的食物，而对于其它一些生物则是有毒的。它可以降低液态水的凝结温度，幅度达10摄氏度。在完成预定的3个月探测任务后，凤凰号还继续工作了额外的两个月，直到火星北极地区的极寒天气最终让其太阳能供应降低到无法继续维持的程度，任务就此结束。
9、火星大气和挥发演化探测器(MAVEN，预计2013年发射)
火星大气和挥发演化探测器这将是火星侦察兵项目下实施的第二项计划，是在2007年从26个提交方案中挑选出来的。它将对火星的高层大气，电离层以及火星大气和太阳风及太阳之间的相互关系进行考察。诸多线索显示火星在其早期历史中曾经比现在更加潮湿。那么这些水到哪里去了？科学家们将借助MAVEN探测器的数据将考察挥发性成分，如二氧化碳和水汽从火星大气中向太空散逸在整个火星历史中所扮演的角色，从而了解火星大气和气候，液态水和行星宜居性的演化史。该项目的首席科学家是布鲁斯·雅柯斯基(Bruce Jakosky)，来自科罗拉多大学。
10、2016年之后的计划
2012年年初，美国宇航局宣布了一项计划，目的是在当前面临预算紧缩的情况下为美国宇航局的火星探测计划制定新的战略。其主旨是制定2018~2020年可能实施的火星探测项目，在这一项目中将不仅仅考虑完成重要的科学目标，还将整合入为未来载人探测和技术开发有关的目标。美国宇航局希望外界能对未来火星探测征集更多的意见和建议。在2012年6月份于休斯顿召开的月球和行星研究所公开会议上，有超过400项设想和提纲被提交给了宇航局。
火星项目计划组是一个独立团体，任务是为美国宇航局制定未来的火星探测设想和实现途径。他们正在参考此次会议上征集来的意见建议，综合考虑预算限制，项目总体规划，科学和技术方面的限制等等各种因素。今年夏末，这一团体将会向美国宇航局提交一份报告，而宇航局将根据这份报告制定美国未来的火星探测计划，这一战略将会体现在美国政府制定的2014财政年度预算之中，该预算报告按计划须在2013年2月份公布。更新后的火星探测战略预计将进一步体现美国国家研究委员会提出的10年期行星科学战略，该战略将火星取样返回置于具有头号科学重要性的地位。
这项战略还将考虑美国宇航局首席技术办公室和美国宇航局载人航天项目，以及任务运行委员会的意见。未来的美国火星考察项目将体现促进技术进步的特点，通过有序实施一系列探测项目解答一些基本的科学问题，并为最终实现载人登陆火星提供支持和准备。
