Presque toute l'eau sur Mars existe aujourd'hui sous forme de glace, bien qu'elle existe également en petites quantités sous forme de vapeur dans l'atmosphère. Ce que l'on pensait être des saumures liquides à faible volume dans le sol martien peu profond, également appelées lignes de pente récurrentes, peut être des grains de sable et de poussière qui glissent vers le bas pour former des traînées sombres. Le seul endroit où la glace d'eau est visible à la surface est la calotte polaire nord. De la glace d'eau abondante est également présente sous la calotte glaciaire permanente de dioxyde de carbone au pôle sud martien et dans le sous-sol peu profond dans des conditions plus tempérées. Plus de 5 millions de km3 de glace ont été détectés sur ou près de la surface de Mars, suffisamment pour couvrir toute la planète jusqu'à une profondeur de 35 mètres (115 pieds). Encore plus de glace est susceptible d'être enfermée dans le sous-sol profond. De l'eau liquide peut se produire de manière transitoire sur la surface martienne aujourd'hui, mais limitée à des traces d'humidité dissoute de l'atmosphère et à des films minces, qui sont des environnements difficiles pour la vie connue. Il n'existe pas de grandes étendues d'eau liquide à la surface de la planète, car la pression atmosphérique n'y est en moyenne que de 610 pascals (0,088 psi), un chiffre légèrement inférieur à la pression de vapeur de l'eau à son point triple ; dans des conditions martiennes moyennes, le réchauffement de l'eau à la surface martienne serait sublime, signifiant une transition directe du solide à la vapeur ; à l'inverse, l'eau de refroidissement se déposerait, signifiant une transition directe de la vapeur au solide. Avant il y a environ 3,8 milliards d'années, Mars avait peut-être une atmosphère plus dense et des températures de surface plus élevées, permettant de grandes quantités d'eau liquide à la surface, y compris peut-être un grand océan qui couvrait peut-être un tiers de la planète. L'eau a également apparemment coulé à travers la surface pendant de courtes périodes à divers intervalles plus récemment dans l'histoire de Mars. Aeolis Palus in Gale Crater, exploré par le rover Curiosity, est le vestige géologique d'un ancien lac d'eau douce qui aurait pu être un environnement hospitalier pour la vie microbienne. L'inventaire actuel de l'eau sur Mars peut être estimé à partir d'images d'engins spatiaux, de techniques de télédétection (mesures spectroscopiques, radar, etc.) et d'investigations de surface à partir d'atterrisseurs et de rovers. Les preuves géologiques de l'eau passée comprennent d'énormes canaux d'écoulement creusés par les inondations, d'anciens réseaux de vallées fluviales, des deltas et des lits de lacs; et la détection de roches et de minéraux à la surface qui n'auraient pu se former que dans de l'eau liquide. De nombreuses caractéristiques géomorphologiques suggèrent la présence de glace au sol (pergélisol) et le mouvement de la glace dans les glaciers, à la fois dans le passé récent et dans le présent. Les ravins et les lignes de pente le long des falaises et des parois des cratères suggèrent que l'eau qui coule continue de façonner la surface de Mars, bien qu'à un degré bien moindre que dans le passé antique.

Bien que la surface de Mars ait été périodiquement humide et aurait pu être hospitalière à la vie microbienne il y a des milliards d'années, l'environnement actuel à la surface est sec et sous le point de congélation, présentant probablement un obstacle insurmontable pour les organismes vivants. De plus, Mars n'a pas d'atmosphère épaisse, de couche d'ozone et de champ magnétique, ce qui permet au rayonnement solaire et cosmique de frapper la surface sans entrave. Les effets néfastes des rayonnements ionisants sur la structure cellulaire constituent un autre des principaux facteurs limitant la survie de la vie à la surface. Par conséquent, les meilleurs emplacements potentiels pour découvrir la vie sur Mars pourraient se trouver dans des environnements souterrains. De grandes quantités de glace souterraine ont été découvertes sur Mars ; le volume d'eau détecté est équivalent au volume d'eau du lac Supérieur. En 2018, des scientifiques ont signalé la découverte d'un lac sous-glaciaire sur Mars, à 1,5 km (0,93 mi) sous la calotte glaciaire polaire sud, avec une étendue horizontale d'environ 20 km (12 mi), le premier plan d'eau liquide stable connu sur le planète, mais des travaux ultérieurs ont remis en question cette détection. Comprendre l'étendue et la situation de l'eau sur Mars est essentiel pour évaluer le potentiel des planètes à abriter la vie et à fournir des ressources utilisables pour l'exploration humaine future. Pour cette raison, "Suivez l'eau" était le thème scientifique du programme d'exploration de Mars (MEP) de la NASA dans la première décennie du 21e siècle. Les missions de la NASA et de l'ESA, notamment 2001 Mars Odyssey, Mars Express, Mars Exploration Rovers (MERs), Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) et l'atterrisseur Mars Phoenix ont fourni des informations sur l'abondance et la distribution de l'eau sur Mars. Mars Odyssey, Mars Express, MRO et le rover Mars Science Lander Curiosity sont toujours en activité et les découvertes continuent d'être faites.

En septembre 2020, les scientifiques ont confirmé l'existence de plusieurs grands lacs d'eau salée sous la glace dans la région polaire sud de la planète Mars. Selon l'un des chercheurs, "Nous avons identifié le même plan d'eau [comme suggéré plus tôt dans une détection initiale préliminaire], mais nous avons également trouvé trois autres plans d'eau autour du principal... C'est un système complexe." En mars 2021, des chercheurs ont rapporté que la quantité considérable d'eau sur l'ancienne Mars reste sur Mars mais, pour la plupart, a probablement été séquestrée dans les roches et la croûte de la planète au fil des ans.

La National Aeronautics and Space Administration (NASA) est une agence indépendante du gouvernement fédéral américain responsable du programme spatial civil, ainsi que de la recherche aéronautique et spatiale. La NASA a été créée en 1958, succédant au National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). La nouvelle agence devait avoir une orientation nettement civile, encourageant les applications pacifiques dans les sciences spatiales. Depuis sa création, la plupart des efforts d'exploration spatiale des États-Unis ont été menés par la NASA, y compris les missions d'atterrissage Apollo Moon, la station spatiale Skylab et plus tard la navette spatiale. La NASA soutient la Station spatiale internationale et supervise le développement du vaisseau spatial Orion, du système de lancement spatial, des véhicules de l'équipage commercial et de la future station spatiale Lunar Gateway. L'agence est également responsable du programme de services de lancement, qui assure la supervision des opérations de lancement et la gestion du compte à rebours pour les lancements sans équipage de la NASA.

La science de la NASA se concentre sur une meilleure compréhension de la Terre grâce au système d'observation de la Terre ; faire progresser l'héliophysique grâce aux efforts du programme de recherche en héliophysique de la Direction de la mission scientifique; explorer des corps à travers le système solaire avec des engins spatiaux robotiques avancés tels que New Horizons ; et la recherche de sujets d'astrophysique, tels que le Big Bang, à travers les Grands Observatoires et les programmes associés.