载人火星任务是20至21世纪的太空科学及工程学研究目标，也是科幻小说的主题之一。最终目标不仅是让人类登陆火星，而且包括火星殖民（包括火卫一及火卫二在内）及火星地球化。
人类最初从1950年代开始研究载人火星任务的可行性，并预计在10至30年内实现此一目标。各国许多太空研究机构都计划完成此一目标，包括美国太空总署、欧洲太空总署在内。美国在2010年取消2020年预计执行的载人月球任务，转而支持2025年预计执行的载人小行星任务与2030年预计执行的载人火星任务。另外，中国计划在2030年先建成月球基地，作为载人登陆火星的试点。
挑战
想要完成载人火星任务，必须解决几个关键问题：
* 人体暴露在高度宇宙射线及游离辐射下所产生的物理影响
* 长期处于低重力的环境下对人体造成的物理影响，例如视力丧失
* 长期处于昏暗环境下对人体造成的物理影响
* 远离地球所造成的心理影响
* 缺乏与地球社会间的联系所造成的心理影响
* 几位太空人长期生活在封闭空间所造成的影响
* 缺乏医疗设备
HUMEX研究已经将这些议题做过统计。Ehlmann教授等人已经考虑过政治、经济、科技及生物等方面对于载人火星任务的议题。载人火星任务所需的燃料对于科学家是一个挑战，使用甲烷与氧可以制造出水及二氧化碳。
发射窗口
将太空船从地球发射至火星需要转移轨道，每26个月会有一次合适的发射窗口。在20世纪中，1969与1971年的发射窗口及1986年与1988年的发射窗口所需的转移轨道能量较少
，大约每15年重复一次。霍曼转移轨道途中只需两次引擎推进，相对地节省燃料。柯尔可抛射是另一种转移轨道方式，这两种方式大不相同。传统的火星探测计划需要400至450天在圆形轨道上飞行。但是火星探测计划最快只需要245天就可以抵达火星。
构想
20世纪
火箭专家沃纳·冯·布劳恩是历史上首位著手研究火星探测科技的人，《火星计划》与一些后续的著作内详细记录著他的构想。沃纳·冯·布劳恩计划将近千个三段式火箭从地球发射升空，随后在近地球轨道上建造太空站，从而为后续的火星探测铺平道路。
Aeronutronic Ford、通用动力公司及洛克希德公司在1962年曾研究一项火星探测计划，它也是马歇尔太空飞行中心主导的帝国计划的一部分。虽然帝国计划只是构想，但是该计划也是美国太空总署首次详细探讨载人火星任务的可能性。
沃纳·冯·布劳恩在阿波罗计划成功后，曾提出一项载人火星任务计划来主导载人太空任务。他计划使用农神5号运载火箭将核热力火箭发射升空（NERVA计划）。后来美国总统尼克森取消该计划，转而支持发展太空梭。
苏联火箭专家吉洪拉沃夫曾经提出火星飞行复合计划，该计划于1956年至1962年间运作，预计使用N1运载火箭将太空船发射升空。
苏联在1960年代设计TMK计划，准备发射载人太空船至火星与金星，但是不登陆地表。TMK计划预计在1971年发射，在为期三年的旅程中，将利用火星进行重力抛射，并释放出探测器。苏联意图发展TMK计划来对抗美国的载人登月计划，但是该计划因为N1运载火箭发射失败被迫放弃。
火星探测复合计划是苏联另一个火星探测计划，准备将太空人花费630天的时间完成火星探测。
科罗拉多大学博尔德分校在维京号登陆火星后，曾于1981年至1998年间进行一项称为「Case for Mars」的计划。该计划从火星返回地球时使用火星资源来当作火箭燃料，而且后来在美国太空航行学会（American Astronautical Society）出版的书籍中公布。一些后续的概念沿用了「Case for Mars」计划的设计，包含罗勃·祖宾（Robert Zubrin）的「火星直击」概念及杰弗里·兰迪斯的「火星足迹」概念。
美国太空总署在1989年曾进行所谓的宇宙探索计划（Space Exploration Initiative），准备在国际太空站完成后进行月球及火星探测任务。这项研究被称为90天研究计划，后来外界批评该计划太过复杂且昂贵，最终研究经费遭到删除。
因为火星与地球之间的距离，所以火星载人探测任务比月球载人探测任务更加危险且昂贵。火星载人探测任务必须携带2至3年的燃料，而且太空船必须能够抵挡至少部分的宇宙辐射。罗勃·祖宾与大卫·贝克在1990年提出一份论文，计划使用火星大气层气体来当作火箭燃料，借此减轻太空船的重量及成本。后来罗勃·祖宾将这个概念发展成「火星直击」构想，并于1998年创办火星学会（Mars Society）来提倡该计划。
国际太空大学于1991年在法国土鲁斯研究国际载人火星任务 ，计划使用核子动力探测器将太空人送至火星 。
美国太空总署在1990年代曾设计几个火星载人任务，其中一个是火星设计参考3.0计划。该计划由强森太空飞行中心执行，内容描述火星载人任务的运作及技术概念。火星设计参考计划沿用之前的设计概念，包括祖宾使用火星大气层气体的构想。
21世纪
俄罗斯计划的火星领航轨道站计划使用核反应炉，该计划草案在2005年曝光。计划设计于2012年完成，2021年完成太空船建造。欧洲太空总署规划的曙光女神计划是长期的火星载人探测，预计在2030年将人类送上火星。ExoMars及NEXT是曙光女神计划早期的旗舰任务。美国总统乔治·沃克·布什在2004年1月宣布一项载人探测计划，称为太空探测愿景。计划于2012年在月球建造前哨基地，2010年至2020年的前期计划将由Adringa等人研发相关科技。美国太空总署署长Q357956予2007年9月24日暗示将在2037年进行火星载人探测。从太空科学任务发展至火星载人探测所需的资金约为110亿美元。美国太空总署认为从月球发射太空船至火星可以减少成本。
德国火星学会计划使用改良后的亚利安5号运载火箭来进行火星载人探测，大约发射5次火箭可将5名太空人送入太空，展开为期1200天的探测任务。
因为太空人从火星地表返回地球是载人火星任务中最困难的环节之一，所以单程载人火星任务曾多次被提出。科学家曾在1998年国际太空发展会议中提出单程载人火星任务 ，想要在首次载人火星任务中建造永久的太空站。科学家认为单程载人火星任务难度及成本较低，因为太空人不需要返回地球。一位美国太空总署的工程师在2006年提出一个概念：只送一位太空人前往火星建造永久的太空站，后来许多媒体都报导这项消息，包括《哈泼斯》 、《纽约时报》、《太空总览》及《探索杂志》。阿波罗11号太空人巴兹·奥尔德林也支持人类在火星上居住。
美国太空总署在2009年的报告中，提出使用战神五号运载火箭来发射猎户座太空船的构想。美国总统贝拉克·奥巴马在2010年4月15日曾在甘迺迪太空中心发表演说，认为美国在2030年代中期可以将太空人送至火星轨道上，随后让太空人登陆火星。美国国会也支持美国太空总署新的发展方向，取消布什总统的2020年月球探测计划，转而计划在2025年进行小行星探测及2030年代进行火星探测。2015年10月8日，美国NASA发表登陆火星计划（Journey to Mars）三步走：依赖（Earth Reliant）、试验场（Proving Ground）、独立（Earth Independent）。
俄罗斯与欧州合作的火星-500在2011年11月4日顺利完成。俄罗斯在2000年7月完成载人火星任务所需的生物科技设备。太空X制造的低成本火星登陆舱红龙号太空船正在研发中，它改良自天龙号太空船。这种概念将应用于美国太空总署预计在2018年发射的探测器中，主要目标是侦测火星生命是否存在 。
荷兰私人公司所主导的火星探测计划火星一号，目的是在火星建立永久殖民地。火星一号计划在2016年发射通讯卫星前往火星，2018年发射探测车登陆火星，最终在2023年建立永久殖民地。四位太空人将会两年前往火星一次。殖民地的能源来自3,000片太阳能板。
中国计划在2033年进行首次载人火星探测，然后定期进行后续探测活动。该计划旨在在火星建立永久定居点，并采集火星资源。