運載火箭
雖然人類在幾十年前多年前就成功地進入太空，但載人火星任務的規模比以前的任何航天項目都要大。目前還沒有火箭能夠讓攜帶宇航員和到達火星必需的所有供給與燃料的巨型航天器擺脱地球引力到達太空，可能需要用火箭分批將零件送入近地軌道，宇航員在太空中組裝好航天器和給養再飛往火星。
目前，太空中最大的運轉設備是國際空間站，質量達4 0 0餘噸，當年用了3 1艘飛船才運載完成。
能將人類送往火星的飛行器質量約1 2 5 0噸，使用現有的火箭，需要7 0次至8 0次的飛行才能完成任務。國際空間站花了1 0多年時間才組裝完成，組裝火星飛船也需要非常長的時間。 也許，未來這項任務會容易得多。如果新型太空發射系統SLS 火箭在2022年研發成功，其運載能力還是相當可觀的。美國私營太空公司SpaceX 公司正在研發新型獵鷹重型運載火箭，它的運載能力比SLS火箭略小一點。美國航空航天局估計，至少需要發射7枚新型SLS 火箭，才能將登陸火星必需的供給和飛船等送入地球軌道。
燃料的儲存
人類在太空中生存需要很多東西：食物、氧氣、住所、燃料。載人火星任務送到太空的物資中，推進劑將佔去大約8 0%。問題是，在太空中儲存如此大量的燃料是很困難的。宇航員搭建火星飛船時放置材料的地方處於近地軌道，在這裏，物體大約每9 0分鐘環繞地球一圈。它們有一半的時間處在太陽的高温烘烤中，而另一半時間則在太空冰冷的黑暗中。這種變化很容易導致液態的氫和氧蒸發，如果處理不當，儲存燃料的容器還可能爆炸。在那裏，容器中的氫一個月內就會蒸發掉4%。如果火星項目在近地軌道停留1年，將損失近1/2的推進劑。將1千克氫送入太空的成本大約是1萬美元，這種泄漏是巨大的浪費。美國航空航天局正在測試大型太空低温裝載和轉換推進劑技術。如果成功，美國航空航天局就可以在太空設立一個長久的氣體倉庫，隨時為火箭補給燃料。
推進技術
美國航空航天局計劃先把飛船送到火星表面，再把宇航員送過去。要將人類儘快送往火星，先進的推進技術非常重要。美國航空航天局正在研究太陽能推進技術，這是一種通過飛船尾部發射電離氣體來推進飛船的技術。美國航空航天局的“黎明”號飛船和日本的“隼鳥”號飛船都已使用了這項技術。火星項目需要比這些已有項目更大的太陽能電動推進器。美國航空航天局目前有一個蒐集小行星並將其拖拽回地球的計劃，它將促進太陽能電動推進技術的研究。
在火星上着陸
稀薄的火星大氣層不能很快撐開大型降落傘，所以大型航天器降落火星有很大困難。“好奇”號重1噸，是目前能夠發送到火星表面的最大物體。美國航空航天局表示，載人火星項目至少需要發送4 0噸重的物體到火星。“火星1號”計劃的單程載人火星項目也需要攜帶近1 0噸物資。美國航空航天局的專家正在研發一種高超音速充氣系統。這是一些巨大的類似球狀的物體，展開後可幫助飛行器減速。
不過，人類在火星上着陸的關鍵是超音速重推進技術。美國航空航天局曾在2 0世紀6 0年代至7 0年代就超音速重推進技術進行過風洞實驗，不久前也進行過一次。好消息是，實驗表明超音速重推進技術在理論上是可行的，壞消息是美國航空航天局不再研究這個項目了。
現在，一些私營航天公司，例如SpaceX公司正在研究可重用的火箭，它可以從近地軌道返回發射台。該公司可能會在遲一些時候研究超音速重推進技術。
宇航員健康問題
對具有最複雜系統的人類身體來説，太空是個危險的地方。為地球生命提供能量的太陽，在太空旅行中對生物卻是致命的威脅。一旦宇航員處於地球磁場之外，太陽的射線將在他們體內積聚，從而增加他們患癌症的風險。“好奇”號火星探測器近期得到的數據已經量化了火星表面的射線等級和危險程度。類似太陽耀斑和高能粒子的大爆發可能將潛在的、致命劑量的射線作用於宇宙飛船。因此， 美國私營載人火星項目——“靈感火星”——計劃選擇在太陽的弱活動年2 0 1 8年進行，屆時太陽粒子爆發的可能性最低。不過，較低的太陽粒子活動增加了來自星系間的射線，這些射線也是有害的。飛往火星的旅行可能需要7個月至9個月的時間，在整個過程中都要保護人類。目前，最可行的解決方案是用水把宇宙飛船包起來。水能夠吸收射線，並能在遭遇太陽風暴時提供一定的遮擋。但是水的質量比較大，在航天項目中增加任何重量都將提高成本。未來有望開發出能夠保護宇航員的小型磁場技術，但這是許多年後才能實現的。
除了射線，載人火星之旅面臨的最大挑戰是微重力（又稱零重力），它會導致不少奇怪的病症，以及一系列的心理問題。如果長期處於零重力狀態，會出現骨骼鈣質流失、肌肉萎縮、視神經腫脹等問題，如果得不到及時治療，可能導致身體虛弱、骨質脆化，甚至失明。先進的醫療技術和有規律的鍛鍊有助於解決太空旅行中出現的一些身體問題。目前，美國航空航天局正計劃讓宇航員在國際空間站停留1年，以便更好地研究這些因素。然而，在飛往火星的過程中，宇航員要面臨的心理問題在很大程度上是未知的。國際空間站與地球之間的距離比較近，宇航員可以看見地球，但是火星項目的宇航員要忍受長時間不能與家人溝通的痛苦。2 0世紀9 0年代，美國科學家曾進行“生物圈2”號實驗，讓8個人在大型模擬環境中停留近2年。參與“生物圈2”號實驗的專家泰伯·麥卡勒姆説：“所有參與該實驗的人員都表示心理問題是最大的問題。”到目前為止，時間最長的火星旅行模擬實驗是由俄羅斯組織、多國參與的國際大型實驗項目 “火星5 0 0”。2 0 1 0年6月至2 0 1 1年1 1月，6名志願者在密封的房間裏待了5 0 0天。隨着時間的推移，參與該項實驗的志願者在房間中變得無精打采，其中1名變得很消沉。6名中有2名沒有出現什麼問題，只有1名保持着活躍和忙碌狀態，認知能力沒有下降。
目前，美國正在進行一個火星項目，測試人類能忍受孤獨的極限。
火星的資源
火星環境寒冷乾燥，不過火星擁有豐富的資源，宇航員可以利用它們。 在宇航員到達之前，一台機器會被預先發送至火星。它將利用火星大氣中的二氧化碳提取氧氣，從土壤中提取可分離的元素，然後用它們製造建築材料和火箭燃料。火星固態水儲量豐富，在某些地方的土壤中有足夠的冰晶，機器人可以輕易地收集。
雖然經常被討論，但是現場資源利用技術從未被開發過。美國航空航天局需要證明依靠外行星資源生存是可行的。
人類還需要在火星上種植植物，因為宇航員需要新鮮的水果和能夠使他們減少食用凍幹食品數量的農場。但是在另一個星球上種植是件棘手而且危險的事情。美國專家泰伯·麥卡勒姆説：“沒有人希望宇航員依靠自己生產的食物生存。植物是挑剔的，如果宇航員出現錯誤，它們可能會死亡。”在分析了植物種植的投入和產出，以及温度控制和其他必需的系統和技術需求後，麥卡勒姆估計，要在火星上連續經營1 5年至2 0年的時間，才能從農業系統中得到與投入相當的產出。
保護人類和星球
由於有外星生物存在的可能性，美國航空航天局和其他主要航天國家一致同意遵守嚴格的星球保護標準。1 9 6 9年，當美國3名宇航員成功登陸月球並返回地球時，美國航空航天局將他們隔離了三週，以確保他們沒有帶來可能危害人類的可怕的太空病毒。這樣的工作重複進行，直到1 9 7 1年完成第八次載人登月任務後，科學家才確信宇航員沒有從月球帶來危害。
雖然月球上沒有有害細菌，但火星是另外一種環境。在火星上存在生物的可能性確實很小，但並不為零，有證據證明火星可能曾經具有孕育生命的能力。這些可能的生物也許是有害的。
在考慮火星上的微生物可能危害人類的同時，我們也應該關注另外一個相反的問題。人類自身擁有微生物羣落和真菌，而目前我們無法防止這些微生物和真菌隨人類登陸火星後對火星造成污染。我們需要提高能力來保護人類免受火星的影響，同時也需要使火星免受人類的危險影響。為了遵守最嚴格的行星保護協議，最好的方法是在火星表面實施一些無人探索任務。人類可以在近地軌道或火星的衞星上紮營，實時遙控火星表面的探測器和其他機器人。這些機器人將檢查火星表面以獲取是否存在生物的證據，並且發現更安全的着陸點。未來的技術也將防止宇航員降落火星時帶來人類的污染。
火星的沙塵
乾旱的火星環境產生了大量微小的沙塵，而這些沙塵是有害的。人類生活在火星表面，就像生活在巨大的鹽地裏。火星沙塵具有腐蝕性，宇航員的工具需要特別耐用，否則容易被腐蝕。
儘量使宇航員不暴露在火星的沙塵環境中更加重要，因為火星沙塵被認為是有毒的。“好奇”號對火星土壤樣品進行分析後發現，火星的土壤中含有高氯酸鹽。在地球供水系統中，高氯酸鹽是需要高度關注的化學物質，可能導致人體甲狀腺疾病。
火星上的塵埃也可能含有致癌物質，可能會使人體出現類似阿波羅宇航員患的月球花粉症之類的過敏反應或肺部疾病。載人火星計劃需要了解火星塵埃與人類棲息地的濕度，否則塵埃可能像鹼液或漂白劑一樣傷害人體皮膚。目前，美國航空航天局以及S p a c e X 公司、I n s p i r a t i o nMars 公司都有火星登陸計劃，其中的一個將被選為最終計劃。
沒有人確切知道載人火星項目需要多少成本，估計高達數百億甚至數千億美元。這樣的項目似乎應該通過國際合作來完成，這就需要參與國通過正式承諾的方式制定好一切事務。世界是複雜的，長期的任務還要應對政治變遷和經濟衰退等因素。