In den 1890er Jahren, inspiriert von Giovanni Schiaparellis Entdeckung der „Kanäle“ auf dem Mars, beschloss Lowell, sein Vermögen und seine Energie der Erforschung des Mars zu widmen. Nach sorgfältiger Abwägung wünschenswerter Standorte, Er baute ein privates Observatorium in Flagstaff, Arizona. Lowell setzte sich für die inzwischen aufgegebene Theorie ein, dass intelligente Bewohner eines sterbenden Mars ein planetenweites Bewässerungssystem bauten, Verwendung von Wasser aus den Polkappen, die jährlich schmelzen. Er dachte, die Kanäle seien Bänder kultivierter Vegetation, die von dieser Bewässerung abhängig seien. Zu seinen vielen Büchern zu diesem Thema gehört Mars und seine Kanäle (1906). Lowells Theorie, die lange Zeit heftig abgelehnt wurde, wurde schließlich durch Informationen der US-Raumsonde Mariner 4, als sie im Juli 1965 am Mars vorbeiflog, zur Ruhe gebracht.

Anfang des 20.Jahrhunderts machte Lowell eine aufwendige mathematische Studie über die Umlaufbahn des Uranus. Er schrieb bestimmte Unregelmäßigkeiten der Aktion eines unsichtbaren Planeten jenseits von Neptun zu und berechnete seine wahrscheinliche Position. 1905 organisierte er eine systematische Suche nach dem Planeten durch die Mitarbeiter seines Observatoriums und veröffentlichte 1915 seine „Memoiren über einen transneptunischen Planeten.“ Vierzehn Jahre nach seinem Tod gipfelte die Suche in der Entdeckung von Pluto.