Néanmoins, dès 1894, certains émettaient des doutes sur la nature des « mers » martiennes et la présence d’eau sur la planète. Des astronomes comme Edward Barnard n'avaient d'ailleurs jamais observé les dits canaux. Le télescope Hubble montre juste quelques rares segments d'allure rectiligne qui ont pu contribuer, par effet d'identification, à voir des canaux entiers.
En 1903, Joseph Evans et Edward Maunder entreprirent une expérience avec comme sujets de jeunes écoliers et montrèrent que ces canaux pouvaient être le résultat d’une illusion d'optique .
En 1907, le naturaliste et biologiste Alfred Russel Wallace publie Is Mars habitable?. En se basant sur les analyses spectroscopiques qui ne montrent pas de vapeur d’eau et les estimations de température et de pression, il conclut que Mars n’est ni habitée, ni habitable .
Eugène Antoniadi, à l’origine partisan de l’hypothèse des canaux, procéda à une observation depuis l’Observatoire de Meudon et vit bien des taches mais aucun réseau géométrique. Le 27 décembre 1909, il écrit que l’aspect de la planète Mars est naturel, comparable à celui de la Lune. . La crédibilité de leur existence était sérieusement entamée et le monde astronomique n’en parla bientôt plus, bien qu’ils restent populaires auprès du grand public et que Lowell n’ait jamais renoncé à prouver la présence d’eau sur Mars. Cette existence ne sera établie qu'en 2008 par des sondes.
Les photos de la surface martienne prises par la sonde spatiale Mariner 4 en 1965 avaient conduit entretemps à confirmer la sécheresse générale de la surface. Cette observation avait été complétée par les résultats de la sonde Viking faisant état d'une érosion d’écoulement attestée par un lit à sec, sans pouvoir à ce stade établir si le liquide impliqué avait ou non été l'eau.