Người đầu tiên chỉ ra các bằng chứng khoa học về sự hiện diện của một khí quyển trên Sao Hỏa là William Herschel bằng quan sát về các dấu hiệu của mây và khói qua kính viễn vọng năm 1783[1]. Bốn năm sau đó, Johann Schröter cũng có những kết luận tương tự bằng quan sát của ông [2].

Tuy nhiên năm 1830, Beer và Mädler, sau khi xây dựng được một kính viễn vọng tốt hơn, đã cho những quan sát phủ định: "Giả thuyết về các chấm trông giống mây trên Sao Hỏa là vô căn cứ." Dù vậy, ý tưởng về một bầu khí quyển nhiều hơi nước trên Sao Hỏa vẫn được nhiều người ủng hộ, như vào năm 1870, Richard Procter thậm chí còn cho rằng Sao Hỏa có biển cả và sự sống.

Thực tế là những năm cuối thế kỷ 19, các quan sát qua kính thiên văn đã gặp phải khó khăn trong việc phân tích các chi tiết trên bề mặt Sao Hỏa. Các vùng sáng và tối trên bề mặt đã được cho là các lục địa và đại dương. Sao Hỏa đã được tin là có lớp khí quyển dày. Các nhà thiên văn hồi đó đã biết chu kỳ tự quay quanh trục của Sao Hỏa (và do đó độ dài của một ngày trên Sao Hỏa) gần bằng so với Trái Đất; và họ cũng đã biết Sao Hỏa có trục nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt Trời, do vậy cũng có các mùa. Người ta cũng đã quan sát thấy các lớp băng trên 2 cực của Sao Hỏa co lại và nở rộng ra theo từng mùa. Sự thay đổi này đã được cho là sự phát triển theo mùa của các loài thực vật. Từ đài thiên văn Lowell, Percival Lowell đã còn quan sát thấy cả các "kênh đào Sao Hỏa". Ông đã đưa ra giả thuyết về một hệ thống tưới tiêu nước của một nền văn minh trên Sao Hỏa.

Giả thuyết về kênh đào Sao Hỏa và hơi nước trên Sao Hỏa gây ra một cuộc tranh cãi vào đầu thế kỷ 20[3]. Năm 1909, Campbell [4] công nhận việc không thấy dấu hiệu của hơi nước, ngược lại với những gì Vesto Slipher và Frank Very khẳng định. Vào đầu thế kỷ 20, người ta đã dần nhận ra rằng Sao Hỏa rất khô và có áp suất khí quyển rất thấp. Năm 1908 Lowell, dựa vào đo đạc hệ số phản xạ, ước lượng áp suất bề mặt khoảng 87 millibar (0,087 áp suất khí quyển Trái Đất), một kết quả phù hợp với các quan sát của Vaucouleurs sau đó.

Với các quan sát quang phổ, chi tiết về thành phần khí quyển Sao Hỏa dần được sáng tỏ bắt đầu từ thập kỷ 1930. Walter Adams và Theodore Dunham vào những năm này không tìm thấy dấu hiệu của hơi nước và ôxy trong quang phổ Sao Hỏa. Nhà thiên văn Gerard Kuiper là người đầu tiên khẳng định sự hiện diện của thán khí vào khoảng năm 1947, 1948[5]. Nitơ đã được biết là thành phần chính của khí quyển Trái Đất cuối thế kỷ 19 [6], nên vào đầu thập kỷ 1950, người ta cũng đưa ra giả thuyết rằng khí quyển Sao Hỏa chứa nhiều nitơ và thán khí chỉ là thành phần nhỏ [7]. Giả thuyết này tính đến việc nitơ là chất khó phát hiện bởi quan sát quang phổ từ Trái Đất để giải thích các kết quả âm tính về chất khí này.

Tuy nhiên, phải đợi đến kỷ nguyên của du hành vũ trụ, thì bầu khí quyển Sao Hỏa mới thực sự được nghiên cứu chi tiết. Bức ảnh chụp cận cảnh đầu tiên cho thấy các hố lồi lõm do va chạm với thiên thạch để lại trên bề mặt giống như hoang mạc, đã được gửi về bởi tàu thám hiểm Mariner 4 năm 1965. Sao Hỏa lộ ra như một sa mạc khổng lồ nhất của hệ Mặt Trời với một bầu khí quyển đặc trưng bởi các đám bụi ôxít sắt màu hồng trôi lơ lửng. Tiếp đó tín hiệu phân tích quang phổ và chụp ảnh của tàu Mariner 9 cho thấy các lớp bụi dày và sương mù băng khô cùng sự tồn tại của các đám mây ti chứa nước đá trên Sao Hỏa[8]. Hai tàu đổ bộ Viking 1 và Viking 2 đã gửi một lượng dữ liệu khổng lồ từ năm 1976 đến năm 1982, cho thấy nhiều chi tiết về một cấu trúc khí quyển có cả tầng đối lưu và tầng bình lưu gồm chủ yếu là thán khí với các lớp mây nước đá và đá thán khí nằm ở ranh giới các tầng này. Trong vòng một thập kỷ trở lại đây, một loạt các cuộc thám hiểm với sự hợp tác quốc tế rộng lớn chưa từng thấy đã tìm đến mục tiêu Sao Hỏa. Hiện nay, các dữ liệu về Sao Hỏa và bầu khí quyển của nó đang trở về Trái Đất với một tốc độ bùng nổ, bao gồm một số khám phá như dấu hiệu khá rõ về sự tồn tại của nước lỏng trong quá khứ cũng như bể chứa nước đá ngầm hiện tại của Sao Hỏa, sự có mặt của khí mêthan (CH4) trong các vùng khí quyển địa phương [9]...