Tàu Mars Odyssey của NASA đi vào quỹ đạo Sao Hỏa năm 2001. Phổ kế tia gamma trên tàu Odyssey đã phát hiện một lượng đáng kể hydro chỉ cách lớp phủ regolith ở bề mặt có vài mét trên Sao Hỏa. Lượng hydro này được chứa trong lớp băng tàng trữ ở phía dưới.Tàu quỹ đạo Mars Express của cơ quan không gian châu Âu (ESA) đến Sao Hỏa năm 2003. Nó mang theo thiết bị đổ bộ Beagle 2 nhưng đã đổ bộ không thành công trong quá trình đi vào bầu khí quyển và được coi là mất hoàn toàn vào tháng 2 năm 2004. Đầu năm 2004, đội phân tích phổ kế Fourier hành tinh (Planetary Fourier Spectrometer team) đã thông báo rằng tàu quỹ đạo đã xác định được sự có mặt của methan trong bầu khí quyển Sao Hỏa. Cơ quan ESA thông báo tàu của họ đã quan sát được hiện tượng cực quang trên Sao Hỏa vào tháng 6 năm 2006.Ngày 10 tháng 3 năm 2006, tàu Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) của NASA đi vào quỹ đạo hành tinh này để thực hiện nhiệm vụ 2 năm khảo sát khoa học. Con tàu đã vẽ bản đổ địa hình và khí hậu Sao Hỏa nhằm tìm những địa điểm phù hợp cho các phi vụ đổ bộ trong tương lai. Ngày 3 tháng 3 năm 2008, các nhà khoa học thông báo tàu MRO đã lần đầu tiên chụp được bức ảnh về một chuỗi các hoạt động sạt lở đất đá gần cực bắc hành tinh.Tàu Dawn đã bay ngang qua Sao Hỏa vào tháng 2 năm 2009 để nhận thêm lực đẩy hấp dẫn nhằm tăng tốc đến tiểu hành tinh Vesta và sau đó là hành tinh lùn Ceres.
Tàu Mars Odyssey của NASA đi vào quỹ đạo Sao Hỏa năm 2001. Nó mang theo thiết bị đổ bộ Beagle 2 nhưng đã đổ bộ không thành công trong quá trình đi vào bầu khí quyển và được coi là mất hoàn toàn vào tháng 2 năm 2004.