Venus
yang nantinya diidentifikasi sebagai transit Venus dan Merkurius oleh astronom Qotb al-Din Shirazi dari Maragha pada abad ke-13. Transit Venus juga diamati oleh Jeremiah Horrocks pada 4 Desember 1639 bersama dengan temannya William Crabtree di rumah mereka masing-masing. Saat astronom Italia Galileo Galilei mengamati Venus untuk pertama kalinya pada abad ke-17, ia menemukan bahwa planet tersebut memiliki fase seperti Bulan.
Fase-fase tersebut hanya mungkin bila Venus mengelilingi Matahari, sehingga pengamatan ini bertentangan dengan model geosentris Ptolemeus yang menyatakan bahwa Bumi merupakan pusat alam semesta.
Atmosfer Venus pertama kali ditemukan pada tahun 1761 oleh Mikhail Lomonosov. Atmosfer Venus juga diamati pada tahun 1790 oleh astronom Jerman Johann Schröter. Nantinya, astronom Amerika Serikat Chester Smith Lyman mengamati cincin yang mengelilingi sisi gelap Venus saat berlangsungnya konjungsi inferior, yang semakin membuktikan keberadaan atmosfer di Venus. Atmosfer tersebut mempersulit upaya untuk menentukan periode rotasi Venus,
dan pengamat seperti Giovanni Cassini dan Schröter membuat perkiraan yang salah, yaitu. Tidak banyak hal baru mengenai Venus yang ditemukan hingga abad ke-20. Kenampakannya tidak memberi petunjuk mengenai bentuk permukaan, dan baru setelah dikembangkannya spektroskopi, radar, dan ultraviolet rahasia-rahasia Venus mulai terkuak. Pengamatan ultraviolet pertama dilakukan pada tahun 1920-an, ketika Frank E. Ross menemukan
bahwa foto-foto ultraviolet menunjukkan detail yang tidak ada dalam foto-foto yang diabadikan dengan cahaya tampak dan inframerah. Ia menyatakan bahwa hal ini disebabkan oleh keberadaan atmosfer yang sangat padat dan berwarna kuning dengan awan cirrus di atasnya.
Pengamatan spektroskopi pada tahun 1900-an memberi petunjuk pertama mengenai rotasi Venus. Vesto Slipher mencoba mengukur pergeseran Doppler dari Venus, namun ia tidak dapat menemukan tanda-tanda rotasi. Ia menduga bahwa planet tersebut memiliki periode rotasi yang jauh lebih panjang dari yang diduga sebelumnya. Penelitian selanjutnya pada tahun 1950-an menunjukkan bahwa rotasi
tersebut sesuai dengan arah jarum jam. Sementara itu, pengamatan radar pertama kali dilakukan pada tahun 1960-an dan berhasil mengukur periode rotasi yang nilainya mendekati perkiraan saat ini.
Pengamatan radar pada tahun 1970-an menyibak detail permukaan Venus untuk pertama kalinya. Gelombang radio yang ditembakkan ke planet tersebut dengan menggunakan teleskop radio di Observatorium Arecibo berhasil menemukan dua wilayah yang sangat reflektif, yang kemudian dinamai wilayah Alpha dan Beta. Pengamatan tersebut juga menunjukkan keberadaan wilayah cerah yang dikaitkan dengan pegunungan dan dijuluki Maxwell Montes. Tiga kenampakan tersebut merupakan kenampakan di Venus yang tidak dinamai dari tokoh perempuan.
Wahana robotik pertama ke Venus (dan ke planet lain) diluncurkan pada 12 Februari 1961. Wahana yang dinamai Venera 1 itu merupakan bagian dari program Venera Soviet. Namun, wahana tersebut kehilangan komunikasi saat berada pada jarak 2 juta km dari Bumi. Venera 1 diperkirakan telah mencapai jarak 100000 km dari Venus pada pertengahan Mei.
Misi Amerika Serikat ke Venus juga kurang berhasil dengan kegagalan misi Mariner 1. Misi Mariner 2 berhasil menjadi misi antarplanet pertama yang berhasil dan mencapai jarak 34833 km di atas permukaan Venus. Radiometer gelombang mikro dan inframerah menunjukkan bahwa walaupun bagian atas awan Venus dingin, permukaannya sangat panas-paling tidak bersuhu 425 °C, sehingga memastikan pengukuran yang dilakukan di
Bumi sebelumnya dan memupuskan harapan bahwa planet tersebut dapat mendukung kehidupan. Mariner 2 juga berhasil memperbarui perkiraan massa Venus dan satuan astronomi, namun tidak berhasil menemukan medan magnet atau sabuk radiasi.
Wahana Venera 3 menabrak permukaan Venus pada 1 Maret 1966, sehingga menjadikannya objek buatan manusia pertama yang memasuki atmosfer dan menabrak permukaan planet lain. Namun, sistem komunikasi wahana tersebut mengalami kegagalan sebelum mengirim balik data. Pada 18 Oktober 1967, Venera 4 berhasil memasuki atmosfer dan mulai melakukan pengukuran. Venera 4 menemukan bahwa suhu permukaan Venus lebih panas dari suhu yang diukur oleh
Mariner 2, yaitu 500 °C. Selain itu, wahana ini juga mendapati bahwa atmosfer Venus terdiri dari 90 hingga 95% karbon dioksida. Atmosfer Venus lebih padat dari yang diperkirakan dan gerak turun parasut lebih lambat dari yang diinginkan, sehingga baterai lebih dulu mencapai permukaan. Setelah mengirim data pendaratan selama 93 menit, bacaan tekanan terakhir Venera 4 adalah 18 bar pada ketinggian 24.96 km.
Satu hari kemudian, pada tanggal 19 Oktober 1967, Mariner 5 melakukan terbang lintas di jarak kurang dari 4000 km. Mariner 5 awalnya dibangun sebagai cadangan untuk misi Mariner 4 ke Mars; setelah misi tersebut berhasil, wahana ini dialihtugaskan ke Venus. Alat-alat yang lebih sensitif daripada Mariner 2 (terutama percobaan okultasi radionya) berhasil mengirim kembali data mengenai komposisi,
tekanan, dan kepadatan atmosfer Venus. Data gabungan Venera 4- Mariner 5 dianalisis oleh kelompok Soviet-Amerika selama beberapa tahun, dan merupakan salah satu contoh kerjasama luar angkasa.
Berbekal dengan pelajaran dan data yang diperoleh dari Venera 4, Uni Soviet meluncurkan Venera 5 dan Venera 6 secara terpisah pada Januari 1969; kedua wahana tersebut mencapai Venus secara terpisah pada 16 dan 17 Mei. Wahana-wahana tersebut telah diperkuat sehingga mampu menahan tekanan hingga 25 bar dan dilengkapi dengan parasut yang lebih kecil agar dapat mendarat lebih cepat. Berdasarkan permodelan saat itu,
tekanan permukaan Venus diperkirakan antara 75 hingga 100 bar, sehingga kedua wahana diperkirakan tidak akan mencapai permukaan. Setelah mengirim data atmosfer selama 50 menit, keduanya jatuh di ketinggian sekitar 20 km sebelum menubruk permukaan Venus.
Venera 7 merupakan upaya untuk memperoleh data dari permukaan planet, dan wahana tersebut dibangun dengan modul pendaratan yang diperkuat sehingga mampu menahan tekanan hingga 180 bar. Modul tersebut didinginkan terlebih dahulu sebelum memasuki atmosfer dan dilengkapi dengan parasut khusus agar mampu mendarat dalam waktu 35 menit. Saat memasuki atmosfer pada 15 Desember 1970, parasut wahana ini robek sebagian,
sehingga wahana ini menubruk permukaan. Walaupun mungkin berada pada posisi miring, wahana ini berhasil mengirim data mengenai suhu selama 23 menit, sehingga menjadikannya data telemetri pertama yang dikirim dari permukaan planet lain.
Program Venera berikutnya adalah Venera 8 yang mengirim data dari permukaan selama 50 menit setelah memasuki atmosfer pada 22 Juli 1972. Pada 22 Oktober 1975, Venera 9 memasuki atmosfer Venus, yang kemudian diikuti oleh Venera 10 tiga hari kemudian. Kedua wahana tersebut berhasil mengirim citra lanskap Venus yang pertama.
Sementara itu, Amerika Serikat mengirim wahana Mariner 10 ke Merkurius. Pada 5 Februari 1974, Mariner 10 melewati Venus dan mengirim 4000 gambar. Gambar-gambar tersebut menunjukkan bahwa bila menggunakan cahaya tampak, planet tersebut seolah tak memiliki kenampakan, namun dengan menggunakan ultraviolet detail awan yang belum pernah dilihat sebelumnya dapat diabadikan.
Proyek Pioneer Venus Amerika Serikat terdiri dari dua misi yang terpisah. Pioneer Venus Orbiter ditempatkan di orbit elips di sekeliling Venus pada 4 Desember 1978, dan tetap berada di sana selama 13 tahun untuk mempelajari atmosfer dan memetakan permukaan dengan radar. Sementara itu, Pioneer Venus Multiprobe terdiri dari empat wahana yang memasuki atmosfer pada 9 Desember 1978 dan berhasil mengirim data mengenai komposisi, angin, dan fluks panas. Empat misi