河谷系統（Valley networks）是火星表面類似地球河流流域的枝狀分支穀道，主要切入在火星南部高地地形中，通常（儘管並非總是）形成於諾亞紀時期（約40億年前）。單條河谷寬度一般不到5公里，但長度可能會在火星表面綿延數百甚至數千公里。
河谷系統的形式、分佈和所隱含的演變對我們瞭解有關火星表面液態水及氣候的變遷史極為重要。一些研究者認為，谷系的特性要求古代火星上必須存在活躍的水循環，雖然這一觀點仍有爭議。反對意見主要來自火星古氣候模型重現的結果，該模型表明火星上從未有過足夠高的氣溫氣壓來維持表面的液態水。
過去十年來，高解析度成像科學裝置、熱輻射成像系統和衛星背景相機以及火星軌道器鐳射高度計數字地形模型所提供的高解析度表面影象極大地提高了我們對河谷系統的理解。
型別
河谷系統通常較為狹窄（<0.5–4公里），深約50–200米，且隨穀道的延伸而變化，其截面形狀呈現從上游V型向下游U型演變的趨勢。單條河谷形成相互連線的分支谷系，通常不到200公里長，流入當地低窪地形。分支谷的外觀通常被描述為「短粗型」或類似術語，這意味著它距離幹流和盆狀源頭端不遠。許多研究者描述谷系的流域密度通常遠低於地球上的河網密度，但文獻中也提到了這可能是由影象解析度、地貌退化或觀察偏差造成的人為影響。
然而，最近的影象也強調，「河谷系統」一詞包含了火星不同地質環境中，大量規模不等形態不同的河谷。所有比溢出河道小的分支谷系都可被稱為河谷系統，可能包含了各種各樣的地貌形成過程，一些谷繫在火星表面延伸超過2000公里，有些其下游寬度可能會改變，有些地方的谷系密度則確實與地球上的相類似，目前存在較窄、較淺的河谷系統，但可能比較大的谷系更罕見。
在大多數河谷系統中，後來的風成作用堆積在谷底的風積物，掩蓋了它們是被切割出的河道性質。在地球上，河谷是一條被攜帶著沖刷物的水流侵蝕出的平坦凹地。然而，火星上由於後來的沉積物，幾乎所有的河谷系統，都不清楚谷底是否含有單獨的河道結構，或者它們是否完全已被淹沒。納內迪谷則是一個罕見的特例，在那裡已識別出了一條河道，儘管隨著時間的推移，新的更高解析度影象再次顯示出火星上更多的此類結構，這解釋了文獻中對「河谷系統」而非「河道系統」一詞的偏好，但在一些文章中對這些結構的描述往往會發生混淆。
分佈和年代
河谷系統高度集中在火星坑洼的南部高地中，北半球赫斯珀里亞紀熔巖平原總體上幾乎完全沒被切割。然而，這一概括仍有很多例外—特別是許多赫斯珀里亞紀和更年輕的火山以及其他數個地區都分佈有谷系，與高地河谷（如納內迪谷）相比顯得更「清新」，退化程度更低。
然而，在比這更精細的尺度上，存在的河谷分佈則高度分散和不連續。高地河谷及谷系區內，緊鄰幾乎完全未改變過的表面，常可見到被交錯切割的斜坡。河谷的分佈也呈現明顯的區域性，阿拉伯臺地西北、希臘平原西南和東南部幾乎沒有切割作用，但在辛梅利亞高地和赤道以南東徑20度至東徑180度之間則有很多，它們在更陡峭的斜坡上也更為突出，例如在撞擊坑邊緣，但同樣可能只出現在此類隕坑邊緣的一側。
遺憾的是，單個谷系區的範圍通常較小，且組成它的河谷相對狹窄，這意味著用傳統的撞擊坑計數技術來測定河谷系統年代非常困難（儘管並非不可能）。諾亞紀南部高地的河谷集中度以及赫斯珀里亞紀北部平原上的稀疏性，結合諾亞紀末期火星全球侵蝕率呈指數級下降的獨立估計，可能表明大部分谷系形成於這一階段的早期。然而，赫斯珀里亞紀地表上的河道明確表明，形成河谷的作用至少在諾亞紀之後的一段時間內，在某些地區確實仍在繼續，一些隕石坑計數的證據甚至表明，部分高地谷系可能形成於亞馬遜紀。
火星氣候史的形成和影響
河谷形成的機制和隱含的環境仍有爭議，在某些谷系的形成過程中，冰川、滑坡、斷層活動和二氧化碳、風蝕和熔巖等多種侵蝕作用都曾在某個時刻參與其中，並可能在火星某些區域性區域發揮過重要作用。然而，大多數研究者都同意，液態水一定在大多數河谷的形成中發揮了作用，這主要根據已知火星上廣泛分佈的水冰，以及液態水的物理屬性（例如黏度）所推測出，液態水幾乎是唯一可讓它以溪流形式向下流淌數千公里的流體。某些谷系（如埃伯斯瓦爾德撞擊坑中）盡頭被解釋為侵蝕三角洲的河道特徵也與水流形成的構造有著獨特的聯繫，如帶有裁彎取直決口的蜿蜒河道，其內部一致性的水力幾何結構，與地球上出現的河流通道非常接近。獨立證據還表明，在過去不同時期，火星表面曾存在過液態水或非常接近液態水，例如子午線高原的蒸發巖和哥倫比亞丘陵巖石的普遍水蝕變，這兩種情況都被火星探測漫遊者勘測到。
此外，還提出了數種不同的情況以進一步解釋河谷在空間和時間上的形狀及分佈。河谷系統形成時，火星古氣候對每一處谷系都有著不同影響，其中一些總結如下。同樣值得強調的是，就如地球上一樣，不同的形成機制可能在火星表面不同的時間和地點發揮著作用。
2020年8月，科學家們報告稱，火星南部高地的河谷系統可能主要是在冰川下形成，而非由自由流動的河流所沖刷，這表明早期火星比想像的要更冷，而且在過去可能發生過大規模的冰川作用。
1、一切依舊，冰下地下水：「寒冷乾燥的火星」
該模型旨在描述河谷系統的形成，而不考慮所存在的條件或作用過程與現今所知的火星不同。模擬表明，即使在現代條件下，地表也可能發生地下水滲漏，但會很快凍結。但按照這種推論，冰蓋可以很好地隔絕下方流動的水流，使它能長距離流動（以及相關的侵蝕），就像在熔巖管里流動的熔巖一樣。
火星河谷通常具有像地球上常與地下水侵蝕有關的許多特徵（儘管並非唯一），譬如，圓弧形谷頭陡壁、恒定的下游谷寬、平坦或U形谷底及陡峭的崖壁。但是，如果假定產生這種滲漏的含水層沒有某種補給機制，即某種水循環，那麼就極不可能有足夠的滲出水來切割出所有的諾亞紀河谷。儘管如此，這一基本模型可能仍有助於理解後來在赫斯珀里亞紀和亞馬遜紀形成的更有限河谷。
2、地下水來源，水循環：「寒冷潮濕的火星」
它是在寒冷乾燥火星模型基礎上增添了早期歷史中可能存在地下含水層補給機制的因素。因此，需要諾亞紀時期火星上能保持某種長期持續的水循環，但並不明確要求這種水是液體或是落下的降水。這意味著根據目前的氣候模型，火星在其早期歷史中不一定非要是溫暖的（即高於冰點）。
全球地下水循環
有人提出，在地質史跨度上，含水層可通過凍結滲出物的昇華、蒸汽向南極冰蓋的大氣循環並再沉積到冰蓋、以及冰層下的基底融化和全球範圍內的地下水循環來補給。這種機制很有吸引力，因為它幾乎不需要對過去完全不同的氣候進行推測，也很符合有關火星溢出河道起源的理論，即溢出河道所位於的混沌地形帶是含水層的主要決口處。然而，該機制提供的靜壓高差無法為眾多高度位於南極極冠以上的河道供水。
區域性地下水循環
一種相關模型表明，區域性產生的熱量可通過侵入性火山作用或撞擊加熱產生區域性規模的地下水滲漏和補給。但這一版本很難解釋更長、更大的河谷系統—如果水流遠離熱源數百或數千公里，地面將會再次凍結，則無法再次獲得水源補充。
3、完整活躍的水循環：「溫暖濕潤的火星」
許多諾亞紀河谷系統具有的特徵強烈表明其起源於分佈式降水：分支系統、始於狹窄頂部的河谷、V 形橫截面、山坡上的擴散行為。相反，僅靠地貌證據很難反駁降水成因的強力論點。降水還為地下含水層提供了一種直接的補給機制，無疑確實會形成地下含水層，並且在某些情況下還是很主要的（如在地球上）。這種降水可能以雨或雪的形式出現（隨後在地表融化），但兩者都需要比目前更溫暖潮濕、更稠密的大氣層。對巖石風化率、諾亞紀火山湖泊和著陸點諾亞紀地質的獨立觀測也支援了一個更溫暖、更濕潤的諾亞紀。
該模型的主要不足之處在於很難可靠地模擬出溫暖潮濕的諾亞紀氣候環境，這主要是與地球相比，太陽與火星間的距離較遠，以及太陽系早期的太陽光較弱。此外，使氣候變暖的二氧化碳-水溫室氣體，應該會留下大量碳酸鹽巖沉積物，而這些沉積物尚未被發現。維持這種大氣足夠的長時間來形成河谷也存在問題，因為火星上如此普遍的未風化玄武巖應該會形成極其有效的碳吸存，特別是在表面潮濕的情況下，而火星早期史中來自太空的持續撞擊也會很快剝離掉所有的大氣層。
解決這種明顯矛盾的方案可能包括不需要持續二氧化碳-水溫室氣體的奇異機制，如火山作用或撞擊引起的間歇性加熱。其他的可能（除了對地質學和地貌學的誤解外）是氣候模型的物理或邊界條件有缺陷—太陽照射比目前理論預測的更強，關於痕量（但強大）溫室氣體的假設存在瑕疵，或對二氧化碳云的參數設定不正確。
然而，額外的痕量氣體以及二氧化碳可能已解決了這一矛盾。2014年，拉米雷斯（Ramirez）等人表明，二氧化碳-氫氣的溫室效果強度足以產生出形成河谷時所需高於冰點的溫度。隨後發現，這種二氧化碳-氫氣溫室效果比拉米雷斯等人最初展示的更有效，當氫濃度和二氧化碳氣壓分別低至1%和0.55巴時，氣候則有可能會變暖。