Các phép đo nhiệt độ Sao Hỏa đã có từ trước Thời đại Không gian. Tuy nhiên, các dụng cụ và kỹ thuật của thiên văn vô tuyến thời kỳ đầu đã cho ra những kết quả có độ chính xác không cao và mâu thuẫn nhau.[15][16] Các tàu vũ trụ đầu tiên bay ngang qua Sao Hỏa, như Mariner 4, và các tàu vũ trụ bay trên quỹ đạo quanh Sao Hỏa sau này, sử dụng kỹ thuật che khuất thiên thể vô tuyến để thực hiện các phép đo vật lý khí quyển tầng cao. Với thông tin về thành phần hóa học của khí quyển đã được suy luận từ quang phổ, nhiệt độ và áp suất cũng có thể được tính toán từ các thông tin này. Tuy nhiên, các phép đo bằng kỹ thuật che khuất thiên thể của các tàu vũ trụ bay ngang qua chỉ xác định được các tính chất dọc theo hai xuyên hoạt tuyến, là các đường truyền đi ngang qua khí quyển của sóng vô tuyến từ nguồn phát, trên các tàu vũ trụ bay ngang qua, đến các máy đo, ở Trái Đất. Các phép viễn thám này cho kết quả đo tức thời, tại những vùng nhất định, vào những thời điểm nhất định. Các tàu vũ trụ bay trên quỹ đạo, với thời gian hoạt động quanh Sao Hỏa lâu hơn, cung cấp nhiều xuyên hoạt tuyến hơn. Các chuyến bay sau đó, bắt đầu từ Mariner 6 và 7, và Mars 2, Mars 3, mang theo các thiết bị hồng ngoại để đo năng lượng bức xạ. Mariner 9 đã lần đầu tiên đưa vào quỹ đạo Sao Hỏa bức xạ kế và phổ kế hồng ngoại, năm 1971, cùng với các thiết bị khác và máy phát vô tuyến. Viking 1 và 2 sau đó, mang theo Máy lập bản đồ Nhiệt Hồng ngoại (IRTM)[17]. Các tàu vũ trụ này đã có thể xác nhận các kết quả viễn thám trước đó, không chỉ nhờ vào các phép đo tại bề mặt bởi các cột đo lường trên thiết bị đổ bộ[18], mà còn dựa trên các cảm biến nhiệt độ và áp suất ở độ cao lớn hơn trong quá trình hạ cánh[19].

Các kết quả khác nhau về nhiệt độ trung bình tại bề mặt Sao Hỏa đã được báo cáo,[20] với giá trị phổ biến là vào khoảng −55 °C (218 K; −67 °F).[21] Nhiệt độ bề mặt có thể lên tới khoảng 20 °C (293 K, 68 °F) vào buổi trưa, ở đường xích đạo, và có thể xuống tới khoảng -153 °C (120 K, -243 °F) ở các cực.[22] Nhiệt độ thực tế tại vị trí của tàu đổ bộ Viking nằm trong khoảng -17.2 °C (256.0 K, 1.0 °F) đến -107 °C (166 K, -161 °F). Nhiệt độ đất ấm nhất được ước tính bởi tàu quỹ đạo Viking là 27 °C (300 K, 81 °F).[23] Xe tự hành Spirit đã ghi nhận nhiệt độ không khí tối đa ban ngày trong bóng râm vào khoảng 35 °C (308 K, 95 °F) và thường xuyên đo được nhiệt độ trên 0 °C (273 K, 32 °F), trừ mùa đông.[24]

Đã có các báo cáo với nội dung "nhiệt độ không khí buổi tối vào mùa xuân và đầu mùa hè ở bán cầu bắc là gần như giống nhau, qua từng năm, trong khoảng sai số ±1 °C" tuy vậy "nhiệt độ trung bình ban ngày thay đổi từng năm, và dao động với biên độ lên đến 6 °C vào các mùa này.[25] Sự khác nhau về biến thiên qua từng năm của nhiệt độ ngày và đêm như vậy là bất ngờ và chưa tìm được nguyên nhân để lý giải. Với mùa xuân và hè ở bán cầu nam, sự biến đổi được gây ra bởi các cơn bão bụi, làm tăng nhiệt độ thấp của ban đêm và giảm nhiệt độ cao nhất trong ngày.[26] Bão bụi, do đó, làm giảm nhiệt độ trung bình của bề mặt (giảm khoảng 20 °C), và làm tăng nhiệt độ của các tầng khí quyển bên trên (tăng khoảng 30 °C).[27]

Trước và sau các nhiệm vụ thám hiểm Viking, các kết quả quan trắc mới hơn và tiên tiến hơn về nhiệt độ của Sao Hỏa đã được thực hiện trên Trái Đất bằng phổ học vi sóng. Vì chùm tia vi sóng phát từ Trái Đất, với độ mở dưới 1 phút cung, sẽ bao trùm toàn bộ Sao Hỏa, kết quả đo là trung bình toàn cầu của Sảo Hỏa.[28] Các cuộc thăm dò sau đó, gồm Phổ kế Phát xạ Nhiệt của Mars Global Surveyor và, ở một chừng mực nào đó, THEMIS của 2001 Mars Odyssey đã không chỉ lặp lại được các kết quả đo nhiệt hồng ngoại, mà còn giúp tích hợp và đối sánh các kết quả đo của các tàu đổ bộ, xe tự hành trên Sao Hỏa với dữ liệu vi sóng trên Trái Đất. Thiết bị Viễn thám Khí hậu Sao Hỏa trên tàu quỹ đạo Mars Reconnaissance đã có thể suy ra cấu trúc thẳng đứng của khí quyển. Các dữ liệu thu được "gợi ý rằng trong những thập kỷ gần đây, khí quyển Sao Hỏa lạnh hơn và chứa ít bụi hơn so với thời điểm của nhiệm vụ thám hiểm Viking,"[29] dù cho các số liệu từ nhiệm vụ Viking đã từng được xem xét lại và điều chỉnh xuống thấp hơn.[30] Dữ liệu từ thiết bị TES cho thấy "nhiệt độ khí quyển toàn cầu của Sao Hỏa vào năm 1997 là thấp hơn khoảng 10–20 K so với thời điểm ở cận điểm quỹ đạo vào năm 1977" và "khí quyển Sao Hỏa ở viễn điểm quỹ đạo là lạnh hơn, ít bụi hơn, và nhiều mây hơn so với số liệu khí hậu học của Viking," một lần nữa cũng đã tính đến các tính toán điều chỉnh lại của Wilson và Richardson.[31]

Các kết quả so sánh sau đó, trong khi công nhận rằng "các đo đạc bằng vi sóng dường như đại diện nhất cho nhiệt độ thực tế của Sao Hỏa," đã cố gắng để kết nối các số liệu đo lường không liên tục của các tàu vũ trụ. Không có xu hướng nào, cho nhiệt độ trung bình toàn cầu, đã có thể được rút ra, từ thời điểm của nhiệm vụ Viking đến thời điểm của Mars Global Surveyor (MGS). "Nhiệt độ đo bởi Viking và MGS là gần như tương đồng, gợi ý rằng các thời kỳ Viking và MGS tương ứng với các trạng thái khí hậu giống nhau." "Một sự phân đôi mạnh" tồn tại giữa bắc và nam bán cầu, một "mẫu hình rất bất đối xứng trong chu kỳ khí hậu hàng năm của Sao Hỏa: mùa xuân và mùa hè ở bắc bán cầu lạnh và ít bụi, nhiều hơi nước và mây băng; còn mùa hè nam bán cầu, giống như đã được quan sát bởi Viking, có nhiệt độ ấm hơn, ít hơi nước và băng, và nhiều bụi hơn."[25]