Casi toda el agua en Marte hoy existe en forma de hielo, aunque también existe en pequeñas cantidades como vapor en la atmósfera. Lo que se pensaba que eran salmueras líquidas de bajo volumen en suelo marciano poco profundo, también llamadas líneas de pendiente recurrentes, pueden ser granos de arena que fluyen y polvo que se deslizan cuesta abajo para formar rayas oscuras. El único lugar donde el hielo de agua es visible en la superficie es en la capa de hielo del polo norte. También hay abundante hielo de agua debajo de la capa de hielo permanente de dióxido de carbono en el polo sur marciano y en el subsuelo poco profundo en condiciones más templadas. Se han detectado más de 5 millones de km3 de hielo en o cerca de la superficie de Marte, suficiente para cubrir todo el planeta hasta una profundidad de 35 metros (115 pies). Es probable que aún haya más hielo encerrado en el subsuelo profundo. Hoy en día, algo de agua líquida puede ocurrir transitoriamente en la superficie marciana, pero se limita a rastros de humedad disuelta de la atmósfera y películas delgadas, que son entornos desafiantes para la vida conocida. No existen grandes cuerpos de agua líquida estancada en la superficie del planeta, porque la presión atmosférica promedia allí solo 610 pascales (0,088 psi), una cifra ligeramente inferior a la presión de vapor del agua en su punto triple; en condiciones marcianas promedio, el agua caliente en la superficie marciana se sublimaría, lo que significaría una transición directa de sólido a vapor; por el contrario, el agua de enfriamiento se depositaría, lo que significaría una transición directa de vapor a sólido. Antes de hace unos 3.800 millones de años, Marte pudo haber tenido una atmósfera más densa y temperaturas superficiales más altas, lo que permitió grandes cantidades de agua líquida en la superficie, posiblemente incluyendo un gran océano que pudo haber cubierto un tercio del planeta. Aparentemente, el agua también ha fluido a través de la superficie durante períodos cortos en varios intervalos más recientemente en la historia de Marte. Aeolis Palus en Gale Crater, explorado por el rover Curiosity, son los restos geológicos de un antiguo lago de agua dulce que podría haber sido un ambiente hospitalario para la vida microbiana. El inventario actual de agua en Marte se puede estimar a partir de imágenes de naves espaciales, técnicas de detección remota (medidas espectroscópicas, radar, etc.) e investigaciones de superficie de módulos de aterrizaje y rovers. La evidencia geológica de agua en el pasado incluye enormes canales de salida tallados por inundaciones, antiguas redes de valles fluviales, deltas y lechos de lagos; y la detección de rocas y minerales en la superficie que solo podrían haberse formado en agua líquida. Numerosas características geomórficas sugieren la presencia de hielo en el suelo (permafrost) y el movimiento del hielo en los glaciares, tanto en el pasado reciente como en el presente. Los barrancos y las líneas de pendiente a lo largo de los acantilados y las paredes de los cráteres sugieren que el agua que fluye continúa dando forma a la superficie de Marte, aunque en un grado mucho menor que en el pasado antiguo.

Aunque la superficie de Marte estuvo periódicamente húmeda y podría haber sido hospitalaria para la vida microbiana hace miles de millones de años, el ambiente actual en la superficie es seco y bajo cero, lo que probablemente presenta un obstáculo insuperable para los organismos vivos. Además, Marte carece de una atmósfera espesa, una capa de ozono y un campo magnético, lo que permite que la radiación solar y cósmica golpee la superficie sin obstáculos. Los efectos dañinos de la radiación ionizante en la estructura celular es otro de los principales factores limitantes para la supervivencia de la vida en la superficie. Por lo tanto, las mejores ubicaciones potenciales para descubrir vida en Marte pueden estar en ambientes subterráneos. Se han encontrado grandes cantidades de hielo subterráneo en Marte; el volumen de agua detectado es equivalente al volumen de agua en el Lago Superior. En 2018, los científicos informaron del descubrimiento de un lago subglacial en Marte, 1,5 km (0,93 millas) por debajo de la capa de hielo del polo sur, con una extensión horizontal de unos 20 km (12 millas), el primer cuerpo estable conocido de agua líquida en el planeta, pero el trabajo posterior ha cuestionado esta detección. Comprender la extensión y la situación del agua en Marte es vital para evaluar el potencial del planeta para albergar vida y proporcionar recursos utilizables para la futura exploración humana. Por esta razón, "Follow the Water" fue el tema científico del Programa de Exploración de Marte (MEP) de la NASA en la primera década del siglo XXI. Las misiones de la NASA y la ESA, incluidas 2001 Mars Odyssey, Mars Express, Mars Exploration Rovers (MER), Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) y Mars Phoenix lander, han proporcionado información sobre la abundancia y distribución del agua en Marte. Mars Odyssey, Mars Express, MRO y el rover Mars Science Lander Curiosity todavía están en funcionamiento y se siguen realizando descubrimientos.

En septiembre de 2020, los científicos confirmaron la existencia de varios grandes lagos de agua salada bajo el hielo en la región polar sur del planeta Marte. Según uno de los investigadores, "identificamos el mismo cuerpo de agua [como se sugirió anteriormente en una detección inicial preliminar], pero también encontramos otros tres cuerpos de agua alrededor del principal... Es un sistema complejo". En marzo de 2021, los investigadores informaron que la cantidad considerable de agua en el antiguo Marte permanece en Marte pero, en su mayor parte, probablemente haya sido secuestrada en las rocas y la corteza del planeta a lo largo de los años.

La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) es una agencia independiente del gobierno federal de los EE. UU. responsable del programa espacial civil, así como de la investigación aeronáutica y espacial. La NASA se estableció en 1958, reemplazando al Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA). La nueva agencia debía tener una orientación claramente civil, fomentando las aplicaciones pacíficas en la ciencia espacial. Desde su establecimiento, la mayoría de los esfuerzos de exploración espacial de EE. UU. han sido dirigidos por la NASA, incluidas las misiones de alunizaje Apolo, la estación espacial Skylab y, más tarde, el transbordador espacial. La NASA está apoyando a la Estación Espacial Internacional y está supervisando el desarrollo de la nave espacial Orion, el Sistema de lanzamiento espacial, los vehículos de tripulación comercial y la estación espacial Lunar Gateway planificada. La agencia también es responsable del Programa de servicios de lanzamiento, que supervisa las operaciones de lanzamiento y la gestión de la cuenta regresiva para los lanzamientos de la NASA sin tripulación.

La ciencia de la NASA se centra en una mejor comprensión de la Tierra a través del Sistema de Observación de la Tierra; promover la heliofísica a través de los esfuerzos del Programa de Investigación de Heliofísica de la Dirección de Misiones Científicas; explorar cuerpos en todo el Sistema Solar con naves espaciales robóticas avanzadas como New Horizons; e investigando temas de astrofísica, como el Big Bang, a través de los Grandes Observatorios y programas asociados.