Ce sont les soviétiques qui se lanceront les premiers dans l'exploration de Mars. Les américains ne les rejoindront que quatre ans plus tard avec le programme Mariner.
Dès 1960, l'URSS lance le premier programme d'exploration interplanétaire avec l'envoi de deux sondes en direction de Mars. L'objectif, outre celui de photographier la surface de la planète, est d'étudier le milieu interplanétaire et les effets d'un long voyage sur les instruments de bord. Une première tentative est faite le 10 octobre 1960 avec le lancement, dans le plus grand secret, de Marsnik 1 (Mars 1960A). Malheureusement, le troisième étage ne développe pas assez de poussée et la sonde atteint seulement l'altitude de 120 kilomètres avant de retomber sur Terre. Marsnik 2 (Mars 1960B) est lancée quatre jours plus tard et subit le même sort.
En 1962, trois nouvelles sondes sont lancées. Le 24 octobre 1962, Sputnik 22 (Mars 1962A) explose au cours d'une manœuvre d'insertion sur son orbite terrestre. Huit jours plus tard, Mars 1, qui doit survoler Mars afin de prendre des images de sa surface et transmettre des données sur sa structure atmosphérique ainsi que sur le rayonnement cosmique, réussit à s'extraire de l'attraction terrestre. Mais alors qu'elle est a mi-distance de son objectif, la sonde interrompt subitement ses communications. Le 4 novembre 1962, une troisième sonde est envoyée vers la « planète rouge ». Il s'agit de Sputnik 24 (Mars 1962B) qui n'est rien d'autre que le premier atterrisseur jamais conçu. Mais la manœuvre pour le placer sur son orbite de transfert échoue et l'atterrisseur retombe sur Terre deux mois plus tard.
En 1964, l'URSS fait une nouvelle tentative avec le lancement de Zond 2, le 30 novembre 1964. Mais ce nouvel essai aboutit encore sur un échec : la communication est perdue alors que la sonde fait route vers Mars.
Ce n'est qu'en 1964 que la NASA fait son entrée dans la course vers Mars avec les sondes Mariner 3 et Mariner 4. Lors du lancement de Mariner 3 survenu le 5 novembre 1964, la coiffe de protection ne s'éjecte pas correctement, empêchant la sonde d'atteindre une trajectoire martienne et provoquant rapidement la rupture des communications. Durant trois semaines, les ingénieurs de la NASA s'emploient à corriger le problème. Le 28 novembre 1964, le lancement de Mariner 4 est un succès et permet à la sonde d'entamer son voyage de 8 mois vers Mars. Mariner 4 passe au plus près de celle-ci le 14 juillet 1965 et fournit les premières images détaillées de la « planète rouge ». Outre la transmission de photos révélant la présence de cratères d'impact de type lunaire, la sonde mesure la pression atmosphérique (de 4,1 à 7,0 millibars), la température de surface (-100 °C) et ne détecte aucun champ magnétique.
En 1969, la NASA poursuit son programme d'exploration avec le lancement de deux nouvelles sondes, Mariner 6 et Mariner 7, respectivement le 24 février 1969 et le 27 mars 1969. Ces deux sondes atteignent leur objectif durant l'été, mais ce succès est occulté par les premiers pas de l'homme sur la lune.
Durant la fenêtre de lancement suivante, la NASA subit la perte d'une de ses deux sondes, Mariner 8, à cause d'une défaillance de son lanceur, une fusée Atlas Centaure. Cependant, le lancement de Mariner 9 survenu le 30 mai 1971 se solde par un immense succès avec la première satellisation d'une sonde autour d'une autre planète que la Terre. L'orbiteur réalise une cartographie complète de la surface de Mars, transmet les premières images détaillées des volcans, de Valles Marineris, des calottes polaires et des satellites Phobos et Déimos et révèle également l'existence de tempêtes globales.