La fosa fue sondeada por primera vez durante la expedición Challenger en 1875, utilizando una cuerda lastrada, que registró una profundidad de 4.475 brazas (8.184 metros; 26.850 pies). En 1877, se publicó un mapa llamado Tiefenkarte des Grossen Ozeans («Mapa de profundidad del Gran Océano») por Petermann, que mostraba un Challenger Tief («Profundidad del Challenger») en el lugar de ese sondeo. En 1899, el USS Nero, un colero reconvertido, registró una profundidad de 5.269 brazas (9.636 metros; 31.614 pies).
En 1951, el Challenger II inspeccionó la fosa utilizando ecosondas, una forma mucho más precisa y sencilla de medir la profundidad que los equipos de sondeo y las líneas de arrastre utilizadas en la expedición original. Durante este estudio, se registró la parte más profunda de la fosa cuando el Challenger II midió una profundidad de 5.960 brazas (10.900 metros; 35.760 pies) a 11°19′N 142°15′E / 11.317°N 142.250°E, conocida como la Hondonada de Challenger.
En 1957, el buque soviético Vityaz informó de una profundidad de 11.034 metros (36.201 pies) en un lugar denominado la Hondonada de Mariana.
En 1962, el buque de superficie M.V. Spencer F. Baird registró una profundidad máxima de 10.915 metros (35.810 pies) utilizando medidores de profundidad de precisión.
En 1984, el buque de prospección japonés Takuyō (拓洋) recopiló datos de la Fosa de las Marianas utilizando una ecosonda de haz estrecho y múltiple; informó de una profundidad máxima de 10.924 metros (35.840 pies), también reportada como 10.920 metros (35.830 pies) ±10 m (33 pies). El vehículo teledirigido KAIKO llegó a la zona más profunda de la Fosa de las Marianas e hizo el récord de inmersión más profunda de 10.911 metros (35.797 pies) el 24 de marzo de 1995.
Durante las prospecciones realizadas entre 1997 y 2001, se encontró un punto a lo largo de la Fosa de las Marianas que tenía una profundidad similar a la de la Fosa Challenger, posiblemente incluso más profunda. Se descubrió mientras los científicos del Instituto de Geofísica y Planetología de Hawaii realizaban un estudio alrededor de Guam; para ello utilizaron un sistema de cartografía por sonar remolcado detrás del barco de investigación. Este nuevo punto fue bautizado como HMRG (Hawaii Mapping Research Group) Deep, en honor al grupo de científicos que lo descubrió.
El 1 de junio de 2009, la cartografía a bordo del RV Kilo Moana (nave nodriza del vehículo Nereus), indicó un punto con una profundidad de 10.971 metros (35.994 pies). La cartografía sonar del Challenger Deep fue posible gracias a su sistema de batimetría multihaz para aguas profundas Simrad EM120. El sistema de sonar utiliza la detección del fondo en fase y amplitud, con una precisión superior al 0,2% de la profundidad del agua en toda la franja (lo que implica que la cifra de profundidad es precisa hasta ± 22 metros (72 pies)).
En 2011, se anunció en la Reunión de Otoño de la Unión Geofísica Americana que un buque hidrográfico de la Armada estadounidense equipado con una ecosonda multihaz realizó un estudio que cartografió toda la fosa con una resolución de 100 metros (330 pies). La cartografía reveló la existencia de cuatro afloramientos rocosos que se cree que son antiguos montes submarinos.
La Fosa de las Marianas es un lugar elegido por los investigadores de la Universidad de Washington y la Institución Oceanográfica Woods Hole en 2012 para realizar un estudio sísmico con el fin de investigar el ciclo del agua del subsuelo. Mediante el uso de sismómetros de fondo oceánico e hidrófonos, los científicos son capaces de cartografiar estructuras de hasta 97 kilómetros de profundidad bajo la superficie.
Descensos
Se han logrado cuatro descensos tripulados y tres no tripulados. El primero fue el descenso tripulado del batiscafo Trieste, de diseño suizo y construcción italiana, propiedad de la Marina de los Estados Unidos, que llegó al fondo a las 13:06 horas del 23 de enero de 1960, con Don Walsh y Jacques Piccard a bordo. Se utilizó granalla de hierro como lastre y gasolina para la flotación. Los sistemas de a bordo indicaban una profundidad de 11.521 metros (37.800 pies), pero posteriormente se revisó a 10.916 metros (35.814 pies). La profundidad se estimó a partir de una conversión de la presión medida y de cálculos basados en la densidad del agua desde la superficie del mar hasta el lecho marino.
A esto le siguieron los ROVs no tripulados Kaikō en 1996 y Nereus en 2009. Las tres primeras expediciones midieron directamente profundidades muy similares de 10.902 a 10.916 m. La cuarta fue realizada por el director de cine canadiense James Cameron el 26 de marzo de 2012. Llegó al fondo de la Fosa de las Marianas en el buque sumergible Deepsea Challenger, buceando a una profundidad de 10.908 metros.
En julio de 2015, miembros de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica, de la Universidad Estatal de Oregón y de la Guardia Costera sumergieron un hidrófono en la parte más profunda de la Fosa de las Marianas, el Challenger Deep, sin haber desplegado nunca uno más allá de una milla. El hidrófono de titanio estaba diseñado para resistir la inmensa presión que se ejerce a 11 kilómetros de profundidad. Aunque los investigadores no pudieron recuperar el hidrófono hasta noviembre, la capacidad de datos se llenó en los primeros 23 días. Tras meses de análisis de los sonidos, los expertos se sorprendieron al captar sonidos naturales, como terremotos, un tifón y ballenas barbadas, junto con sonidos artificiales, como los de los barcos. Debido al éxito de la misión, los investigadores anunciaron planes para desplegar un segundo hidrófono en 2017 durante un periodo de tiempo prolongado.
Victor Vescovo logró un nuevo récord de descenso a 10.928 metros el 28 de abril de 2019 utilizando el DSV Limiting Factor, un modelo Triton 36000/2 fabricado por Triton Submarines, con sede en Florida. Se sumergió cuatro veces entre el 28 de abril y el 5 de mayo de 2019, convirtiéndose en la primera persona que se sumerge en Challenger Deep más de una vez.
El 8 de mayo de 2020, un proyecto conjunto entre los constructores navales rusos, los equipos científicos de la Academia Rusa de Ciencias con el apoyo de la Fundación Rusa de Proyectos de Investigación Avanzada y la Flota del Pacífico sumergió el vehículo submarino autónomo Vityaz-D en el fondo de la Fosa de las Marianas a una profundidad de 10.028 metros (32.900 pies). Vityaz-D es el primer vehículo submarino que opera de forma autónoma a las profundidades extremas de la Fosa de las Marianas. La duración de la misión, excluyendo el buceo y la salida a la superficie, fue de más de 3 horas.
El 10 de noviembre de 2020, el sumergible chino Fendouzhe alcanzó el fondo de la Fosa de las Marianas a una profundidad de 10.909 metros.
Descensos previstos
En abril de 2011, Richard Branson dio a conocer un nuevo submarino con una sola persona para ir al fondo de la Fosa de las Marianas en los próximos dos años.
En febrero de 2012, al menos otro equipo estaba planeando un submarino pilotado para llegar al fondo de la Fosa de las Marianas.