上：火星探路者拍摄的火星地表全景；下左：火星探路者和旅居者号正在装配；下右：旅居者号在火星上度过第22个火星日。
2001年，美国NASA发射了火星奥德赛号（Mars Odyssey）探测器，主要任务是寻找火星的水。不负众望，它对火星浅表底层含水量进行了普查，发现了大量水的踪迹。此外，它在火星赤道地区也发现了浅表的水层——很有可能这些水能够适时融化为液态，供微生物生存。
火星奥德赛号
2003年，火星大冲，这是近百年来最适合发射火星探测器的窗口。欧空局ESA发射了“火星快车（Mars Express）”轨道器，美国NASA发射了“勇气号（Spirit）”和“机遇号（Opportunity）”火星车。他们几乎全都聚焦于“找水”。火星快车在极地冰盖中发现了水冰，还在大气中发现了甲烷的迹象和痕量的氨——这暗示可能曾有生命存在于火星上，或至少有演化生命的条件。勇气号和机遇号分别发现了一些地表上流水侵蚀风化的线索，并进行了火星上的天文观测。
从火星看地球。由勇气号拍摄。
2005年，美国NASA发射了火星轨道勘测飞行器（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO），它主要针对火星的地理环境和气象环境进行研究。在火星轨道上，它发现了火星表面藏在各种地方的冰，以及各类水成的矿物。此外，根据其数据，科学家推测，火星表面广泛分布着氯化物，这应该是由含水的矿物蒸发形成的——换言之，火星表面曾经广泛分布有水。2011年8月4日，NASA宣布MRO侦察到在火星的温暖的月份里，其表面似乎存在流动的液态水。
MRO观测到的4次火星表面的雪崩现象
2007年，NASA发射了凤凰号（Phoenix）火星着陆器，2008年5月25日着陆在了火星的极地地区。凤凰号证明了火星极地地区浅地表下水的存在。