השיטה המקובלת לתיארוך גאולוגי של כוכבי לכת שונה משיטות התיארוך הגאולוגי של כדור הארץ. תקופות גאולוגיות פלנטריות נשענות על ספירת מכתשים. הנחת היסוד היא שפני שטח החשופים יותר מבחינת זמן לחלל ספגו יותר פגיעות של מטאוריטים ולכן יש בהם יותר מכתשים. על פי שיטה זו הובחנו על פני מאדים שלוש תקופות והן:
החוקרים האירופיים מציעים מודל תיארוך שונה המתבסס על התכולה המינרלוגית של פני השטח. השמות ניתנים על בסיס מינרלים פילוסיליקטיים. החוקרים האירופיים חילקו את הגאולוגיה של מאדים גם כן לשלוש תקופות, חופפות חלקית לחלוקה הכרונולוגית המקובלת, אם כי אחד מחוקרי מאדים האמריקאים, מייקל קאר, חולק על שיטה זו. על פי השיטה האירופית התקופות הן:
יכול להיות שעם תחילתה של פעילות מאוישת על מאדים, שיטת התיארוך תשתנה. ייעשה שימוש בתיארוך סטרטיגרפי כמקובל על כדור הארץ. הערכה זו נשענת על תצלומים בעלי רזולוציה גבוהה שבהתבסס עליהם אפשר יהיה לבצע חתכים סטרטיגרפיים במקומות שונים בפרט במצוקים.
אטמוספירה.
האטמוספירה של מאדים קלושה. לחץ האוויר בפני השטח הוא רק 10 מיליבר, כ־1% בלבד מהלחץ הממוצע שעל־פני כדור הארץ. גובהה של האטמוספירה הוא כ־11 קילומטר. האטמוספירה של מאדים מורכבת מ־95% פחמן דו־חמצני, 3% חנקן, 1.6% ארגון ומעט חמצן ומים. ב־2003 נמצאו גם עדויות לנוכחות של מתאן באטמוספירה.
בשלבי קיומו הראשונים של כוכב הלכת, כמות הפחמן באטמוספירה הייתה גדולה יותר, כמו שהיה בתקופה המקבילה על כדור הארץ. מקורו של הפחמן הוא מפנים כוכב הלכת, מהמעטפת, וממקורות חיצוניים (מטאוריטים קרבונטיים, מיקרומטאוריטים ושביטים). נכון למאה ה־21, מולקולות הפחמן נדיפות יותר ונהרסות על ידי חמצון ויינון על פני השטח. תהליכים אלה לא התרחשו בעבר כאשר האטמוספירה הייתה צפופה יותר, עם תכולה גדולה יותר של CO2 ושדה מגנטי שהגן על כוכב הלכת. אף על פי שמאדים וכדור הארץ נוצרו מאותם חומרים, כל אחד מהם התפתח בצורה שונה. המים בתקופה זו התפרקו, וכנראה רק לאחר מיליארד השנים הראשונות הפך מאדים לכוכב לכת קר ויבש. רמז אפשרי לאיבוד המים מהאטמוספירה, בא מהדרך בה מתרחשת האינטראקציה בין האטמוספירה לרוח השמש. אינטראקציה זו מראה שמאדים מאבד כל יום 100 טון מהאטמוספירה שלו.
אף על פי כן, מאדים עדיין מחזיק באטמוספירה. המקורות לחידוש האטמוספירה הם פגיעות שביטים, קרח ה־CO2 בקטבים, ופריצת מים ממעבה האדמה ההופכים לגז. החוקרים זיהו סוג של גל כפול מרוח השמש (double whammy solar supper wave) הגורם לדלדולה של אטמוספירת מאדים. גלים אלה נוצרים כאשר זרם אחד של רוח השמש מתהפך ומורם על ידי גל אחר ומאיץ את מהירותם של חלקיקים מהשמש. זה יוצר שטף של חלקיקים הנע לעבר מאדים, פוגע בו בפעימה אחת ומתיז לחלל חלקיקים מהאטמוספירה.
היונוספירה של מאדים מתנשאת לגובה של 110–130 קילומטר. בגובה זה קרינת השמש היא בעלת עוצמה רבה, חלקיקים מרוח השמש מפרקים אטומים ומולקולות באטמוספירה העליונה ומשחררים אלקטרונים. מיפוי גלובלי של היונוספירה אפשר לבחון את התנהגותה גם בלילה. מיפוי האטמוספירה העיד על שינויים במרחב הגאוגרפי בשעות החשיכה. במהלך המיפוי הלילי התגלה מארג מורכב של אזורים שבהם צפיפות האלקטרונים גדולה. אחת התגליות הייתה המתאם הגדול שבין מספר האלקטרונים ביונוספירה בלילה לבין כיוון השדה המגנטי המקומי. האזורים בעלי צפיפות האלקטרונים הגדולה קשורים לאזורים בעלי מגנטיות גבוהה בפרט דרומית לקו המשווה, סמוך למקומות בהם קווי השדה המגנטי ניצבים לקרקע. על כדור הארץ מצב כזה אפשרי רק בקטבים המגנטיים. רוח השמש העוטפת את מאדים מאפשרת כנראה היווצרות יונוספירה בצד הלילי. האינטראקציה עם רוח השמש מעוררת (energises) את האטמוספירה ויוצרת אוכלוסייה של אלקטרונים חופשיים.
באטמוספירה של מאדים מתחוללות סופות אבק, ב־2018 התרחשה סופה שכיסתה חלקים גדולים מהפלנטה. מדענים השתמשו ברכב החלל אופורטוניטי כדי לנסות ולהתחקות אחר מקורותיהן של סופות אלו. אף על פי שמדובר בסופות שמהירותן רבה, הן נושאות איתן כמות אנרגיה נמוכה בשל האטמוספירה הקלושה.
חקר פני השטח.
תחום מדע שעוסק בחקר פני מאדים נקרא "אראוגרפיה" (Areography).
חקר השטח במהלך המאה ה-18 בוצע על ידי צפייה בטלסקופ. בשנת 1877 ג'ובאני סקיאפארלי פרסם מפה ראשונה של מאדים. הוא קרא לאזורים כהים שראה כ"ימות", ואזורים בהירים כ"יבשות". הוא ציין כי ראה רשת צפופה של מאפיינים בעלי קווים ישרים על פני השטח, להם קרא בשם ערוצים. המילה "ערוצים" באיטלקית היא "canali", והיא תורגמה לאנגלית כ-"canal", כלומר "תעלות".
ממצאים של תוכנית מארינר בשנות ה-60 הוכיחו שעל כוכב הלכת אין "ימות" ואין צמחייה. במהלך מארס גלובל סרוויור בוצעו צילומים מפורטים שאיפשרו לעבד מפות מפורטות של מאדים.
אולימפוס מונס הוא הר געש הגבוה ביותר הידוע במערכת השמש והוא מגיע לגובה של 21 ק"מ.
מים על מאדים.
שני הקטבים של מאדים מכוסים מים קפואים. עובדה זו מגבירה את התקוות לאיתור עקבות של חיים מיקרוסקופיים בעבר.מדענים מעריכים שהקרח נמצא ממש מתחת לפני השטח של כוכב הלכת. זאת משום שחלליות מחקר זיהו כמויות גדולות של מימן, והדרך היחידה בה יכולה להיות כמות כה גדולה של מימן היא במולקולות מים. מעריכים שכמות המים מגיעה עד 80%-90% ממסת הסלע, ושהקרח מפוזר באופן אחיד בכל אזור הקוטב הצפוני. ככל הנראה, המים הקפואים נמצאים בעומק של לא יותר מ־30 סנטימטרים מתחת לפני הקרקע. כמות זו של מים מעלה את האפשרות שבעבר מאדים היה חם יותר, והתקיימו עליו חיים מיקרוסקופיים.
הממצאים פורסמו בכתב העת "Science", ולצורך המחקר נעשה שימוש בתצלומים שצילמו החלליות מארס גלובל סרוויר ומארס אודיסי – שתיהן מקיפות עדיין את מאדים. מארס אודיסי גילתה לראשונה עדויות על מים בקוטב הדרומי של מאדים ב־2002. נכון לעשור השלישי של המאה ה־21, המדענים מצאו כשליש יותר מים באזור הקוטב הצפוני לעומת הכמות שהתגלתה בקוטב הדרומי.
המקפת לסקר מאדים מצאה ב־2008 בשולי ההרים קרחונים המכילים כמויות גדולות של קרח, טמונים מתחת לשכבת הקרקע. שכבת קרח זו דומה במאפייניה לשכבת הקרחונים העבה שנמצאה מתחת לכיסוי סלעי באזור אנטארקטיקה. בשנת 2015 הודיעה נאס"א כי נמצאו עדויות לקיום של מים זורמים על פני מאדים. הסימנים השחורים על הכוכב הם ההוכחה לכך.
חיים על המאדים.
בשלבי חייו הראשונים של מאדים לפני כ־4 מיליארד שנים, האטמוספירה שלו הייתה סמיכה הרבה יותר ממה שהיא היום והגנה עליו בדומה לאטמוספירה שמגנה על כדור הארץ. כמות הפחמן באטמוספירה הקדומה הייתה דומה למה שהיה בתקופה מקבילה בכדור הארץ. בגלל הקרבה לכדור הארץ והתנאים הדומים, ובגלל קיומם של מים על המאדים, היו יכולות להתפתח עליו צורות חיים.
נכון לתחילת העשור השלישי של המאה ה־21, אין הוכחה לקיום חיים בהווה או בעבר על המאדים, אבל המחקרים עדיין מתנהלים. רכב המאדים קיוריוסיטי נשלח ב־2012 לבצע בדיקות מדעיות במכתש גייל שהוא אגם יבש במאדים, בהנחה שאגם היה מקום נוח להתפתחות חיים. הרובר פרסווירנס נחת על מאדים בפברואר 2021 בדלתה של האגם היבש מכתש ג'זרו, כדי לאסוף דגימות מהקרקע הבוצית שהייתה בו בעבר.
גז מתאן על מאדים.
בשנים 2003–2004 מצאו שלוש קבוצות נפרדות של מדענים הוכחות לקיומו של גז מתאן באטמוספירה שעל פני מאדים. צוות מדענים בראשות מייקל מומה ממרכז טיסות החלל גודרד של נאס"א, בדקו באמצעות ספקטרוגרפים ברזולוציה גבוהה, המוצבים במתקן הטלסקופ התת־אדום שבהוואי ובטלסקופ ג'מיני הדרומי שבצ'ילה, ומדדו ריכוזי מתאן של מעל 250 חלקים למיליארד, כמו כן נצפו שינויים בריכוז המתאן בין האזורים השונים שעל פני מאדים. קבוצה נוספת של מדענים ניתחה מדידות ספקטרליות שנאספו על ידי החללית מארס אקספרס אולם הם מצאו שהריכוז נמוך בהרבה, כשהטווח הוא בין אפס ל־35 חלקים למיליארד. והקבוצה השלישית של החוקרים בראשות ולדימיר קרסנופולסקי מדדו באמצעות הטלסקופ הקנדי־צרפתי בהוואי ממוצע פלנטרי של כ־10 חלקים למיליארד, כשבשל רזולוצית אות ומרחב נמוכות לא התאפשר להם לקבוע האם יש שינויים בריכוז באזורים השונים שעל פני מאדים.
נוכחתו של גז המתאן באטמוספירה של מאדים מסקרנת מאוד היות שגז זה אינו יציב - מולקולת מתאן לא מתקיימת יותר מכמה מאות שנים, מה עוד שקרינה על־סגולה מפרקת את הגז בהיעדר שכבת אוזון על פני מאדים. אם הדבר נכון, הוא מצביע על כך שצריך להיות (או שהיה צריך להיות במאות השנים האחרונות) מקור לגז זה על כוכב הלכת. פעילות וולקנית, התנגשויות שביטים, וקיום חיים בצורת מיקרואורגניזמים כגון מתאנוגנים עשויים להיות המקור לכך, אך אלו עדיין לא נמצאו. ב־21 בספטמבר 2013 דווח כי החללית קיוריוסיטי שבדקה נוכחות מתאן באמצעות ספקטרומטר לייזר הניתן לכוונון, באמצעותו ניתן לאתר אפילו ריכוזים נמוכים ביותר לא מצאה את החומר באטמוספירה של מאדים. לפי החוקרים של נאס"א, ניתן להסיק מהאנליזה הזו שנכון לתחילת העשור השלישי של המאה ה־21, אין במאדים חיידקים פולטי מתאן.
זוהר הקוטב.