על מאדים התגלו תופעות של זוהר הקוטב בדומה לכדור הארץ. התופעה התגלתה ב־2004 תוך שימוש בספקטרומטר בתת־אדום ובעל־סגול של הגשושית מארס אקספרס. ציוד זה מאפשר לחקור את המבנה וההרכב של אטמוספירת מאדים. התברר שהזוהר מתרחש סמוך למקומות בהם ישנם שרידים של שדה מגנטי בסלעי הקרום. התגלו 9 פליטת חדשות של זהירה זו, מה שאיפשר מיפוי של זהירת מאדים. המיקום הגאוגרפי של התופעה בכוכבי הלכת האחרים בהם היא זוהתה מתוחם לאזור הקטבים, כמו על כדור הארץ. על מאדים התופעה מתרחשת בכיסים של מגנטיות, מקומות בהם סלעי הקרום הם מגנטיים והפיזור שלהם הוא על כוכב הלכת כולו. הם נגרמים בשל התנגשות חלקיקים טעונים עם מולקולות באטמוספירה. מקורם של החלקיקים הוא מהשמש. עדיין לא ברור כיצד האלקטרונים מואצים למהירויות גבוהות עד כדי יצירת תופעת זהירה על מאדים. על כדור הארץ המולקולות הגורמות לזהירה באור הנראה הן של חמצן ושל חנקן שאינם נפוצים דיים על מאדים.
שינוי אקלימי.
מבחינת השינוי האקלימי ארוך הטווח החוקרים נעזרים בצילומי הקרחונים ואלה מעלים את האפשרות ששינוי אקלימי כזה התרחש לפני 4.6 מיליון שנה. על פי אותה גישה, מאדים נמצא נכון למאה ה־21, בתקופת מעבר בין תקופות קרח. בשל נטיית הציר, מאדים נמצא קרוב יותר לשמש, משקעי קרח (ice deposits) בקווי רוחב נמוכים, מתאדים ומשנים את פני הקרקע. שתי קבוצות חוקרים הגיעו למסקנה שהציר של מאדים מתנדנד במחזוריות על צירו. על פי חישוביה של קבוצה אחת הציר משתנה בין 15°–40° ועל פי חישוביה של הקבוצה השנייה הציר משתנה בזווית של °45. בכל מקרה מדובר בתנודות חזקות מאוד והסיבה לכך היא שלמאדים אין ירח גדול כמו זה של כדור הארץ המייצב תנודתיות זו. התוצאה היא תנודות אקלימיות חזקות בטווחים של מיליוני שנים. ההערכה היא שלפני 5 מיליון שנים מאדים עבר שינוי זוויתי חזק. לחות שהייתה לכודה בקטבים הוסעה באמצעות רוחות לאזור קו המשווה והושקעה כשלג (deposits) שם. הודות לכך היא יצרה ים קפוא ודפוסים של פעילות קרחונית באזור זה, רצועות עתיקות של קרח. אלה כנראה שרידים של קרח לאורך קו המשווה. מקומות נוספים עשירים בקרח נמצאו בעמקים מזרחית לאזור הלאס (Hellas) ובאגפים המערביים של קו המשווה הרי הגעש האדירים בשם תארסיס מונטס (Tharsis Montes) .זהו תהליך דומה לכיסוי המחזורי בשלג של הרי הרוקיס בארצות הברית והקרחונים המצויים על הקילימנג'רו באפריקה ובהרי האנדים בדרום אמריקה.
צפייה במאדים מכדור הארץ.
משום שזמני ההקפה של מאדים וכדור הארץ סביב השמש מראים יחס הקרוב ל־2:1 ישנה מחזוריות בהופעותיו ומשך הזמן בו ניתן לצפות במאדים מכדור הארץ. זמן המחזור הסינודי של מאדים נמשך 780 יממות ארץ שהן 2.135 שנים (שנתיים וחודשיים). בזמן זה מרחקו המקסימלי של מאדים מכדור הארץ עשוי להגיע עד לפי 7 מן המינימלי (בעת ניגוד), בשל כך בהירותו הנראית משתנה מחיוורון של 1.8 עד לבהירות מרשימה של 2.9-, בסולם הבהירות של פוגסון, כאשר כדור הארץ ומאדים בקרבה מרבית.
ב־27 באוגוסט 2003 מאדים הגיע למרחק הקטן ביותר מן הארץ ב־60,000 השנים הקרובות - 55,758,006 ק"מ. רדיוסו של מאדים גדול פי שניים מזה של הירח ומרחקו המינימלי מכדור הארץ גדול ביותר מפי 100 מזה של הירח, משום כך מאדים תמיד יראה קטן בהרבה מהירח לצופה מכדור הארץ (ולא כפי שטוענת מתיחת מאדים).
ב־29 בינואר 2010 מאדים היה שוב בניגוד וגם טלסקופים קטנים איפשרו להבחין בתווי פנים על מאדים, במיוחד בכיפות הקרח שלו. טלסקופים גדולים יותר איפשרו להבחין גם באזורים כגון ואליס מארינריס, והאולימפוס מונס.
ביוני 2022, פרסמו תמונות של מאדים אחרי 1,344 הקפות, שצולמו מחללית סינית לא מאוישת
ירחי מאדים.
למאדים יש שני ירחים, פובוס ודימוס. שניהם קטנים ביחס לירח של כדור הארץ: קוטרו של פובוס הוא כ־22 ק"מ ושל דימוס 12 ק"מ. מקורם לא ידוע, אך השערה אחת היא שהם אסטרואידים שנלכדו. הם התגלו על ידי האסטרונום האמריקאי אסף הול בשנת 1877. הם נקראו על שם הדמויות מהמיתולוגיה היוונית פובוס (אל הפחד) ודימוס (אל הטרור והאימה) אשר ליוו את אביהם ארס (הגרסה היוונית של מרס, השם הלטיני של מאדים) בצאתו לקרב.
לפי חישובי מסלול, דימוס מתרחק ממאדים, ואילו פובוס מתקרב אל מאדים, עד שכח הכבידה יפרקו.
מחקר רובוטי.
תוכנית מארינר.
במסגרת תוכנית מארינר האמריקאית שוגרו מספר זוגות של גשושיות מחקר אל עבר כוכבי הלכת הפנימיים במערכת השמש.
מארינר 3 שוגרה ב־5 בנובמבר 1964, אך שיגורה נכשל. מארינר 4 שוגרה ב־28 בנובמבר 1964, והגיעה למרחק מינימלי של 9,844 ק"מ ממאדים ב־14 ביולי 1965. החל ממרחק 16,900 ק"מ ועד שעברה את כוכב הלכת והתרחקה ל־11,900 ק"מ, צילמה תמונות כל 48 שניות, אותן אחסנה על סרט הקלטה ושידרה מאוחר יותר אל כדור הארץ.
מארינר 6 שוגרה ב־24 בפברואר 1969, והגיעה אל מאדים ב־31 ביולי. מארינר 7 שוגרה ב־27 במרץ אותה שנה, והגיעה אל מאדים ב־5 באוגוסט. הן טסו לאורך קו המשווה והקוטב הדרומי של מאדים, וניתחו את האטמוספירה והקרקע של מאדים בעזרת ציוד חישה מרחוק. שתי הגשושיות צילמו 143 תמונות בעת התקרבן אל כוכב הלכת, ו־55 תמונות תקריב. המרחק המינימלי ממאדים היה 3,550 ק"מ. בנוסף, צולם במשימה זו גם הירח פובוס.
תוכנית גשושי מארס.
תוכנית גשושי מארס היא תוכנית סובייטית במסגרתה שוגרו מספר חלליות מחקר "מרס" לחקר מאדים בין השנים 1971 ל־1973.
מארס 2 שוגרה ב־19 במאי 1971, הגיעה למאדים לאחר כשישה חודשים, ונכנסה למסלול. ב־27 בנובמבר שחררה את רכב הנחיתה, אך הוא התרסק על הקרקע לאחר שרקטות הבלימה שלו לא פעלו. מארס 3 שוגרה ב־28 במאי אותה שנה, והגיעה ב־2 בדצמבר. רכב הנחיתה שלה נחת בהצלחה, אך הפסיק לפעול לאחר ששלח 20 שניות של צילום וידאו.
מארס 4 שוגרה ב־21 ביולי 1973, ומרס 5 שוגרה ארבעה ימים מאוחר יותר, ב־25 ביולי. מארס 4 לא הצליחה להיכנס למסלול סביב מאדים עקב תקלה במנוע הבלימה שלה. מארס 5 נכנסה למסלול בפברואר 1974, וצילמה 60 תמונות של פני מאדים לפני שכשלה.
מארס 6 שוגרה ב־5 באוגוסט 1973, וחלפה על פני מאדים במרץ 1974. היא שחררה רכב נחיתה, ששידר מידע אטמוספירי במשך 224 שניות, אך כשל לפני הגיעו אל הקרקע. מארס 7 שוגרה ב־9 באוגוסט אותה שנה. עקב תקלה, רכב הנחיתה שלה שוחרר ארבע שעות לפני הזמן, וכתוצאה מכך הוא החטיא את הכוכב ב־1,300 ק"מ.
מארס 96.
חללית מחקר רוסית מרס 96 שוגרה ב־16 בנובמבר 1996, אך שיגורה נכשל והיא נפלה חזרה אל כדור הארץ. מרבית המשימות הרוסיות לחקר מאדים נכשלו בדרך זו או אחרת.
ויקינג.
תוכנית ויקינג האמריקאית כללה שתי משימות מחקר שהורכבו מלוויין צילום ורכב נחיתה כל אחת.
ויקינג 1 שוגרה ב־20 באוגוסט 1975, הגיעה אל מאדים ב־19 ביוני 1976, ושיחררה את רכב הנחיתה ב־20 ביולי 1976. היא ביצעה גם סריקות של פני השטח וצילומים מגובה כמה מאות קילומטרים. באחת הסריקות צולמו באזור הנקרא סידוניה מבנים שנראו כמו שלוש פירמידות ומה שנראה כפנים אנושיים במרכזן (הפנים במאדים).
ויקינג 2 שוגרה ב־9 בספטמבר 1975, הגיעה אל מאדים ב־7 באוגוסט 1976, ושיחררה את רכב הנחיתה ב־3 בספטמבר 1976.
מרס אובזרבר.
מרס אובזרבר הייתה חללית מחקר אמריקאית ששוגרה ב־25 בספטמבר 1992. החללית הייתה אמורה להיכנס למסלול סביב מאדים, אך הקשר עמה אבד זמן קצר לפני מועד ההגעה המתוכנן.
מרס גלובל סורבייר.
לוויין צילום וחישה מרחוק בשם מרס גלובל סורבייר שוגר בנובמבר 1996 והגיע אל מאדים ב־12 בדצמבר 1997, מאז סיפק מידע מדעי רב. הקשר עם הלוויין אבד ב־2 בנובמבר 2006.
פאת'פיינדר.
פאת'פיינדר הייתה גשושית שנשאה רכב מחקר קטן (באורך של כ־50 ס"מ), ונחתה על מאדים ב־4 ביולי 1997. בנחתת היו מכשירים למדידת האטמוספירה של מאדים, ורכב המחקר נשא מכשירים לבדיקת ההרכב הכימי של סלעים. הקשר עם החללית אבד לאחר מספר חודשי פעולה על קרקע מאדים, הרבה יותר מ־30 הימים שתוכננו מלכתחילה.
מרס סרוויור 98.
במסגרת תוכנית מרס סרוויור 98 שוגרו שתי גשושיות לחקר מאדים:
נחתת הקוטב של מאדים.
נחתת הקוטב של מאדים (Mars Polar Lander) שוגרה ב־3 בינואר 1999, אך עקבותיה אבדו ב־3 בדצמבר 1999. ככל הנראה הנחתת התרסקה בעת הנחיתה.
מקפת האקלים של מאדים.
שוגרה ב־11 בדצמבר 1998 כדי לחקור את האקלים על מאדים אך הקשר עמה אבד ב־23 בספטמבר 1999.
מארס אקספרס.
מארס אקספרס היה לוויין המחקר האירופי אשר שוגר ב־2 ביוני 2003, ונכנס למסלול סביב מאדים ב־25 בדצמבר 2003. חללית זו נשאה איתה את הנחתת הבריטית ביגל 2, שנקראה על שם ספינתו של צ'ארלס דרווין, "ביגל". הנחתת אבדה כאשר חדרה לאטמוספירת מאדים.
רכבי המחקר ספיריט ואופורטיוניטי.
ב־3 בינואר 2004 נחת במכתש גוסב במאדים רכב השטח הרובוטי ספיריט, וב־25 בינואר 2004 נחת התאום שלו, אופורטוניטי, במישור מרידיאני בצידו השני של כוכב הלכת. שני הרכבים מצוידים בכלי לשיוף סלעים ובמגוון מכשירי מדידה, לרבות מצלמת זום חזקה וספקטרומטר מוסבאואר לגילוי ההרכב הכימי של הסלעים והאדמה.
ב־2 במרץ 2004 הודיעה נאס"א במסיבת עיתונאים כי אופורטיונטי גילה עדויות חד משמעיות לקיומם של מים בעבר על פני כוכב הלכת. פירוש הדבר, שהטמפרטורות ולחץ האוויר היו גבוהים בהרבה מאשר אלו השוררים במאדים במאה ה־21, ולפיכך היו יכולים להיווצר עליו חיים. אין עדויות לקיום חיים, ומכשירי החללית גם לא יכולים לגלות אם היו חיים בעבר. לפיכך יש מבין המדענים השותפים בפרויקט כאלו הדורשים שיגור חללית למאדים שתחפור ותביא דוגמאות סלעים לכדור הארץ.