Lowell commença par chercher le bon site pour observer la planète rouge en faisant des essais avec sa lunette de 6 pouces. C'est la ville de Flagstaff, en Arizona, qu'il retiendra, et se fait construire le 16 avril 1894 un observatoire à 2 300 mètres d'altitude, sur une montagne qu'il appellera « Mars Hill ».
Poursuivant le travail de Giovanni Schiaparelli, il fut un fervent défenseur de la théorie des canaux martiens. Schiaparelli avait en 1877 dressé une carte de Mars où les taches sombres étaient pour lui des mers (mare) ou des lacs (lacus), et nota également la présence de canaux (canale), dans un premier temps d'origine naturelle, puis artificiels. Lowell était convaincu de l'existence des martiens qui luttaient contre la sécheresse et la désertification de leur planète. Pour lui, les canaux servaient à irriguer les terres à partir de la fonte des calottes de glace polaires, et il supposait l'existence d'un système de pompes et d'écluses pour mener cette eau dans les régions équatoriales.
L'équipement de l'observatoire en nouveaux instruments, notamment en photographie, permettra à partir de 1905 d'obtenir des clichés relativement nets pour que Lowell y distingue une quarantaine de canaux à la surface de Mars, puis par la suite, en dénombre jusqu'à 400, dont certains se dédoublent. Selon lui, il s'agit de prévention en cas de trop haut débit. Il consacrera le reste de sa vie à tenter de trouver des preuves de la présence d'eau liquide sur Mars, ainsi qu'à rechercher une nouvelle planète.
Lowell publia ses travaux sur Mars dans trois ouvrages : Mars (1895), Mars and Its Canals (1906) et Mars As the Abode of Life (1908). Il établit également en 1896 une carte de Mercure, avec des canaux similaires à ceux de Mars. Par ailleurs, il découvrit l'astéroïde (793) Arizona le 9 avril 1907.
Percival Lowell est à la base de la mythologie martienne crée par les auteurs de science fiction comme H. G. Wells.