Der er fire marsmissioner der afgørende ændrede videnskabens opfattelse af forholdene på Mars: Mariner 4, Mariner 9 og Viking 1 og 2. Viking-sonderne er blevet efterfulgt af senere missioner såsom Phobos 2 og Mars Pathfinder; men de står stadig som de nok mest afgørende marsmissioner og stadig hovedkilden til oplysninger om marsoverfladen.
Viking 1 blev opsendt med en Titan 3/Centaur-raket den 20. august 1975. Viking 2 blev opsendt med en raket af samme type den 9. september 1975. Viking 1 gik i bane om Mars den 19. juni 1976, efterfulgt af Viking 2, der gik i bane om Mars den 7. august 1976. I modsætning til de tidligere landingsmissioner behøvede vikingerne ikke frigøre deres landingsmoduler før de var gået i kredsløb om Mars. Det havde egentlig været planen at Viking 1 skulle lande den 4. juli 1976 – 200 året for den amerikanske uafhængighedserklæring – men på grund af vejret på Mars blev landingen udsat til 20. juli 1976, hvor Viking 1-landeren landede, og den 3. september 1976, hvor Viking 2s lander landede. Viking 1 sendte data tilbage til Jorden indtil november 1982 mens Viking 2 stoppede tidligere.
De 2 orbitere virkede ikke blot som relæstationer for vikinglanderne, når disse ikke kunne sende direkte til Jorden, de havde også deres egne måleinstrumenter. Vikingerne gennemfotograferede Mars flere gange i løbet af deres aktive periode, billederne var desuden med større opløsning end dem Mariner 9 havde leveret. Den gentagne fotografering åbnede muligheden for at fotografere tidslige fænomener som f.eks. et kæmpe marsskred i en af Mars’ kæmpe canyons, hvor flere kubikkilometer klipper var skredet ned i kløften. Støvstorme, morgentåge og polarkalotternes udvikling over et Marsår kunne studeres.
Vikinglanderne medførte en mængde forskelligt udstyr. Først og fremmest var der farvekameraer der straks efter ladningerne begyndte at tage billeder af deres omgivelser. Dette blev således reelt de første billeder fra marsoverfladen, når det er reelt, så er det fordi en sovjetisk sonde landede nogle år tidligere; men dens halve tv-billede viste kun en støvstorm. Billedstrømmen fra Vikinglanderne fortsatte gennem flere marsår, således at man kunne studere variationer i vejret og årstidernes skiften. Derudover var vikinglanderne udstyret med meteorologiske instrumenter, så de kunne måle lufttrykket, vindhastighed, skydække og temperatur.
Vikinglanderne var også udstyret med et seismometer, men det virkede kun på Viking 2, som så registrede det første jordskælv på en anden planet i februar 1977. Sammensætningen af atmosfæren blev også målt, ligesom landerne kunne måle grundstofsammensætningen af selve Marsoverfladen. Landerne stoppede dog ikke her. Hver var de udstyret med en gravearm og et biologisk laboratorium. Vikinglanderne var ikke blot den første mission, hvor en sonde satte graveskeen ned i overfladen på en anden planet, det blev også første gang der blev foretaget en in situ eftersøgning af liv udenfor Jorden.
Vikingsonderne blev en milepæl i udforskningen af Mars, og på flere områder i Marsforskningen stammer de eneste måleresultater fra Viking-sonderne.
Viking 1
Opsendt: 20. august 1975
Raket: Titan IIIE-Centaur D1
Sondens masse: 2328 kg ved opsendelsen
(612 kg ved landingen på Mars)
Formål: Kredsløb om og landing på Mars
Ankomst til Mars: 19. juni 1976 (landede 20. juli 1976)
Slut på missionen: 7. august 1980 (lander 13. november 1982)
Viking 2
Opsendt: 9. september 1975
Raket: Titan IIIE-Centaur D1
Sondens masse: 2328 kg ved opsendelsen (612 kg ved landingen på Mars)
Formål: Kredsløb og landing på Mars
Ankomst til Mars: 7. august 1976 (landede 3. september 1976)
Slut på missionen: 25. juli 1978 (lander 12. april 1980 – 1316 dage på overfladen)