火星上一天的长度几乎和地球相同;自转轴倾角也和地球差不多,因此火星上也有四季的变化。当地球和火星运行到太阳的同一侧并差不多排列在一条直线时,称为火星冲日,由于火星的椭圆轨道偏心率较大,每隔15-17年有一次与地球特别接近的冲,称为大冲,是观测火星的最佳时刻。

火星表面重力加速度是地球的2/5,难以束缚很多气体分子,因而大气非常稀薄,主要成分是二氧化碳,约占95%。赤道附近中午温度20摄氏度左右,昼夜温差超过100摄氏度。两极地区有随季节变化的极冠,北极冠主要由水冰构成,南极冠是由二氧化碳干冰组成。火星极冠中的水若全部融化,火星表面将覆盖一个平均10米厚的水层。

1877年意大利天文学家乔·斯基亚巴雷利观测了火星大冲后发表了他绘制的火面图。在将意大利文的“河流”一词翻译成英文时，误译为“运河”。本世纪50年代，苏联有位科学家从颜色变化上认为火星表面一些地区的光谱与地球上高寒带一些植物的分光特征相似，从而推论火星上有耐寒植被。这些传奇使火星蒙上了一层神秘面纱。为了了解火星的真面目，二十世纪六十年代以来，美国个前苏联发射了许多火星探测器对火星进行就近观测和实验。

火星表面表现为两个截然不同的半球，被一个大约倾斜于赤道30度的大圆分开,南部半个球面崎岖不平，部满环形山，最大的直径约1600公里，局部地区环形山的密度与月球和水星差不多；北部半个球面相对平坦。火星最高的山峰是“奥林匹斯火山”，其底部直径约500公里，火山口直径72公里，高度约25000米，几乎是珠穆朗玛峰的三倍。最大的峡谷是“水手9号”发现的水手谷，绵延5000多公里，宽200公里，比周围地面低6-7公里。火星表面不存在液态水，但从发现的数千条干枯河床来看，火星从前曾经有过水。