，大气分子也不再像下层那样分布均匀；外气层高度在200公里以上，大气渐渐过度到太空，无明显外层边界。火星大气成分为95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氩气，很少的氧气、水气等，亦充满着很多悬浮尘埃，吸收蓝光使天空成黄褐色。2003年火星大冲时地面望远镜在大气中发现了甲烷；2004年3月，火星奥德赛号确认了这一发现。由于甲烷易被紫外线分解，存在甲烷表示现在或者最近几百年内在火星上存在制造甲烷的来源，火山作用、地质作用、彗星或小行星撞击甚至生物来源如甲烷古菌等都有可能。2013年9月19日，根据从好奇号