火星

物理特征

以直径、质量、表面重力来说，火星约介于地球和月球中间：火星直径约为地球的一半、月球的两倍，质量约为地球的九分之一、月球的九倍，表面重力约为地球的38%、月球的2.4倍。火星体积约为地球的15%，质量约为11%，表面积略小于地球陆地面积，密度则比其他三颗类地行星还要小很多。2012年8月，加利福尼亚大学洛杉矶分校的教授尹安在分析了100张来自火星勘测轨道飞行器的卫星图片后发现，火星有类似地球主要板块划分的构造特点。
长期观测火星发现，南半球地势比北半球高，北极盆地显示有过大撞击，推论约45亿年前遭冥王星大小天体撞击之后，不但形成火卫一和火卫二，亦逼使内核热能散溢出上地幔、内部搅拌逐渐停止，无法以发电机原理持续对流生成磁场。由于火星比地球小，相对表面积与体积成反比而较大，因此火星核心也冷却得比地球的快，地质活动趋缓，磁场和板块运动消逝，太阳风带走大气变薄导致气压偏低，而造成液态水在低温就会沸腾、无法稳定存在。

地质

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。
火星地表地貌大部分于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，两极皆有主要以水冰组成的极冠，而上覆的干冰会随季节消长。
基于撞击坑密度的撞击坑计数法可判别出地表年龄：撞击坑大而密集处较老，反之则年轻，进而将地质年代分为四个阶段：前诺亚纪、诺亚纪、赫斯珀利亚纪和亚马逊纪。前诺亚纪没有留下实质地表，此时地形南北差异形成，有全球性磁层；诺亚纪有大量陨石撞击，火山活动旺盛，可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋，侵蚀旺盛，但到末期这些活动已减弱很多；赫斯珀利亚纪，火山活动仍然继续；亚马逊纪则是大气稀薄干燥，以冰为主要活动，如极冠、冰冻层、冰河，并有周期性变迁，沟壑也是这时期形成，火山活动趋缓并集中在塔尔西斯与埃律西昂。
现今火星风成地形遍布，如吹蚀、磨蚀等风蚀作用，和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。（名词解释：）前者形成如广泛分布于梅杜莎槽沟层的风蚀脊，后者则如大瑟提斯高原上撞击坑下风处的沙尘堆积，和撞击坑中常见的沙丘。

地理

火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷。南北半球的地形有着强烈的对比：北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满撞击坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷分布各地，南北极有以水冰与干冰组成的极冠，而风成沙丘广布整个星球。随着卫星拍摄的越来越多，更发现很多耐人寻味的地形景观。
20世纪早期地面以无线电波测量火星地形。1976年海盗号进行的地形测量，发现了峡谷和南北半球的巨大差异，而衍生出北方平原本是海洋的假说。火星全球勘测者自1999年起以激光进行更精确的地形测量，得出目前使用的全球地形图，以火星大地水准面（Areoid）为基准，最高点在奥林帕斯山，高21,229米；最低点在希腊平原，低于基准8,200米。现在很多探测器如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者运用航照图的地形判别方法，以视差法来测量区域地形，并制成高分辨率立体照片。
火星的经度坐标采用东经0至360度，不是地球的东西经各180度。
来自火星奥德赛号上热辐射成像系统（THEMIS）的影像显示阿尔西亚山北坡有七个可能的深洞，照片中光线无法抵达底部，推测底部可能更深、更宽，可能免受微陨星、紫外线、太阳闪焰和其他高能粒子的侵害，可能是未来寻找液态水或生命痕迹的可行地点。但后来火星勘察卫星的更高分辨率HiRISE影像部分推翻了之前猜测，认为只是光线角度造成深不见底的样子。

大气

火星大气层相对较薄，平均地表气压只有6百帕，约为地球表面气压的0.6%，相当于地球表面算起35公里高的气压，如此低的气压使声音传播的距离只有在地球上的1.5%。随着季节的变化，火星气压变化可达20%。火星大气层按高度可分为低层大气、中层大气、上层大气和外气层。其中低层大气由于气悬微尘与地表的热，这部分相对温暖；中层大气存在有高速气流；上层大气（或热气层）温度很高，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、水汽等，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，根据从好奇号得到的进一步测量数据，NASA科学家报告，并没有侦测到大气甲烷（atmospheric methan）存在迹象，测量值为0.18±0.67 ppbv，对应于1.3 ppbv上限（95%置信限），因此总结甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不会排出任何甲烷，仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。
由于火星比地球离太阳远，日射量较少，表面温度应较低，计算值约210K，但实际观测地表平均约240K，则是因为大量的二氧化碳所造成的温室效应。由于大气层很薄，无法保留很多热，使地表日夜温差很大，某些地区地表温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃。火星大气环流主要为单胞环流，由赤道相对热空气上升，漂至极区下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的夏半球，极冠的二氧化碳升华进入大气，使气压升高；而冬半球由于二氧化碳凝华，气压下降，由于进出大气的二氧化碳量高达25%，造成南北压力差，空气便倾向由高压的夏半球流向低压的冬半球，形成另一依季节而变向的环流。因此火星的天气系统趋向成为全球性的，例如尘暴。
火星天气重复次数较高，比地球容易预测。如果一个气象事件在一年的特定时间中发生，可提供的资料（相当稀疏）指出，很可能在下一年几乎同一个位置再发生一次，误差最多一个星期。2008年9月29日，凤凰号拍下了降雪事件，是在接近凤凰号登陆地点附近海姆达尔撞击坑之上，高 4.5 公里的云降雪。这次降水在到达火星表面时就已蒸发，这现象称为幡状云。火星上的风速要超过地球100倍。

水文

火星地表遍布着流水的遗迹，有些是洪水刻画而成，有些则是降雨或地下水流动而形成，但多半年代久远。冲蚀沟（gullies）则是另一类规模较小的地形，但形成年代十分年轻，常分布于撞击坑壁，型态多样。关于成因有两派说法，一派认为是由流动的水造成，另一方则认为是凹处累积的干冰促使了松软物质滑动。
火星南北极有明显的极冠，曾被认为是由干冰组成，但实际上绝大部分为水冰，只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约1米厚，在南极则约8米厚，是冬季时凝华而成，到夏季则再度升华进入大气，不过南极的干冰并不会完全升华。夏季仍存在的部分称为永久极冠，而整体构造称做极地层状沉积（Polar Layered Deposits），和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达1,100公里，厚达2公里，体积82.1万立方公里；南极冠宽达1,400公里，最厚达3.7公里，体积约1.6百万立方公里。两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷，推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。
2011年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠有部分原本认为是水冰的地层其实是干冰，所含二氧化碳量相当于大气含量的80%，这比以往认为的要多很多。根据此的模拟结果，十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结，大气总质量的变化幅度会达数倍。由这些干冰沉积上方地表的下陷与裂隙判断，干冰正在慢慢升华。
自海盗号即发现，火星北半球中纬度有几处峡谷底含有条纹流动状的地表特征，但不确定是富含冰的山崩、含冰土的流动或是尘砾覆盖的冰河。但根据更新任务的资料与比对地球的相关地形，支持这些是冰河，且推测是自转轴倾角较大时的气候状态下所累积的。
由火星奥德赛号X射线光谱仪的中子侦测器得知，自极区延伸至纬度约60°的地方表层一米的土壤含冰量超过60%，推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere）。
另外一个关于火星上曾存在液态水的证据，就是发现特定矿物，如赤铁矿和针铁矿，而这两者都需在有水环境才能形成。
对于于火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，从而最终确认火星上有水存在。
2013年9月26日，美国航空航天局科学家报告，火星探测器好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至 3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。
2015年9月28日，美国航空航天局宣布，在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据，研究人员在火星的神秘斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。在较温暖的季节，这些线条的颜色变得更深，表明水流在斜坡上出现，在较冷的季节，这些地表特征变浅。在火星的部分地区，最高温度可以达到摄氏零下23度，此时深色线条最明显。
2018年7月25日，据意大利媒体报道，该国科学家在火星上首度发现一个地下液态水湖。该研究称，“火星地下及电离层高级探测雷达”在火星南极冰层下1.5千米处发现一个大型液态水湖，里面含有盐。湖的直径约为20千米，温度至少为零下10度。

运动规律

火星与太阳平均距离为1.52AU，公转周期为1.88地球年，687地球日，或668.6火星日。火星公转轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9.6万年和210万年，于0.002至0.12间变化；而地球的是10万年和41.3万年，于0.005至0.058间变化（见米兰科维奇循环）。
火星日平均为24小时39分35.244秒，或1.027地球日。火星目前自转轴倾角为25.19度，和地球的相近，但可在13度至40度间变化，周期为一千多万年，不像地球的稳定处于22.1和24.5度间，是因为火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴。由于没有大卫星的潮汐作用，火星自转周期变化小，不像地球的会被慢慢拉长。
火星自转轴有明显倾斜，日照的年变化形成明显的四季变化，而一季的长度约为地球的两倍。由于火星轨道离心率大，为0.093（地球只有0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。2009年10月26日为北半球春分，2010年5月13日为夏至，目前北半球处春季。虽然火星没有地球般受海洋影响的复杂气候，但仍有以下特殊之处：火星轨道离心率比地球大，造成日射量在一年当中变化更大，位于近日点时，南半球处夏季，比北半球远日点夏季所造成的升温更强；随季节交替，二氧化碳和水汽会升华和凝结而在两极冠间迁移，驱动大气环流；地表反照率特征，因颜色深浅和沙、岩性质差异而造成的容积热容不同，可影响大气环流；易发生的尘暴会将沙尘粒子卷入高空，沙尘粒子吸收日光与再辐射会使高层大气增温，但遮蔽天空的沙尘会使地表降温；自转轴倾角和轨道离心率的长期变化则造成了气候的长期变迁。火星表面的平均温度比地球低30度以上。
目前火星与地球最短距离正慢慢减小。当地球与火星之间的距离最小时，称为火星冲日。火星相邻两次冲日的时间间隔约为779天，最近一次出现在2018年7月27日，下一次火星冲日将出现在2020年10月13日。当地球与太阳和火星连成一线时，在火星上便可看到地球凌日，在太阳的位置可看到地球的黑点通过，同理还有水星凌日(火星)，在地球上则不会看到火星凌日。

卫星

火星有两个天然卫星——火卫一（Phobos）与火卫二（Deimos），最长直径各为27公里和16公里，形状不规则并充满撞击坑，以近圆形的轨道于接近火星赤道面处公转。它们虽然很小，但由于接近火星，使火卫一从火星上看约有满月直径的二分之一至三分之一大，而视星等火卫一可达-7，火卫二可达-5，白天可能可见。和月球一样，这两颗卫星都被火星潮汐锁定，因此他们总是以一面对着火星。火卫一的公转周期比火星自转更快，所以在火星上来看是西升东落的，且只花了约4个小时；而火卫二的公转周期只比火星自转慢一些，东昇西落要花约2.4个火星日。因为火卫一离火星很近，火星的潮汐力会慢慢但稳定地减小它的轨道半径，预计再过约760万年，火卫一将因轨道低于3620公里，也就是火星的洛希极限而被瓦解。另一方面火卫二因为离火星足够远，所以它的轨道反而正在慢慢地被推进。
两卫星可能是捕获的小行星，但新研究认为可能是撞击事件、或原本的卫星被火星潮汐力拉碎后，由散布轨道上的岩屑再度吸积而形成。
两颗卫星是在1877年被阿萨夫·霍尔发现的，以希腊神话中的福波斯和得摩斯命名，两者皆为战神阿瑞斯的儿子。

古代

火星的火红色，自古就吸引着人们，希腊人称为战神。此时火星观测和其他天体般，大部分是为了占星，而后渐渐涉及科学方面，如开普勒探索行星运动定律时是依据第谷积累的大量而精密的火星运行观测资料。
望远镜出现后，人们对火星可以进行更进一步的观测。使用望远镜观测星空的伽利略所见的火星只是一个橘红小点，然而随着望远镜的发展，观测者开始辨别到一些明暗特征。惠更斯依此测出火星自转周期约为24.6小时，而他亦为首次纪录火星南极冠的人。一开始由于各人各自观测，意见不一致，地名也未统一（例如用绘制者名字命名）。后来意大利的乔范尼·斯基亚帕雷利统合了各家说法而绘制了地图，地名取自地中海、中东等的地名和圣经等作为来源，而其余则依照旧有的观念：暗区被认为是湖（lacus）海（mare）等水体，如太阳湖、塞壬海、明显的暗大三角——大瑟提斯；而亮区则是陆地，如亚马逊。这个命名系统一直延续下来。
当时，斯基亚帕雷利和同期观测者一样，观察到了火星表面似乎有一些从暗区延伸出的细线，因为对于暗区是水体的传统，这些细线命名为水道（canali）。而后来观察到暗区会在冬季时缩小、夏季时扩张，有人提出暗区是植物覆盖、而暗区的扩大缩小则是消长所引起的，改变以往认为暗区是水的说法。帕西瓦尔·罗威尔观察到并宣称那些“水道”其实是人工挖掘的“运河”，用来灌溉植物，因为水道应太细不可见，而看到的细线应是灌溉出的大片植物。风靡大众的火星科幻和火星人即源于此。不过这些细线大多已证明是不存在的，部分则是峡谷或陨石坑后延伸出的深色沙子。而火星表面颜色的改变则是因为沙被风吹移，或发生火星尘暴。
到了太空时代，水手4号传回的充满陨石坑的火星照片粉碎了人们对火星文明的幻想，认为火星只是一处如月球般布满陨石坑的死寂星球。但随着往后水手9号等的巨大峡谷、火山和疑似流水遗迹的发现，火星的独特性、液态水和生命的可能又重新引起人们的兴趣。（见#近代探测）

火星生命

2000年，美国科学家在南极洲发现了一块火星陨石。这是一块碳酸盐陨石，后被编号为ALH84001。美国国家航空航天局声称在这块陨石上发现了一些类似微体化石的结构，有人认为这可能是火星生命存在的证据，但也有人认为这只是自然生成的矿物晶体。直到2004年，争论的双方仍然没有任何一方占据上风。
有证据显示火星曾比今日更适合生命存在，但生命在火星上到底是否真正存在过还没有确切的结论。某些研究者认为源自火星的ALH84001陨石有过去生命活动的证据，但这一看法至今尚未得到公认。另有反对的观点认为，自几十亿年前产生以来，该陨石从未长期处于液态水存在的温度下（因而不会曾有生命活动）。
海盗号曾做实验检测火星土壤中可能存在的微生物。实验只分析了海盗号着陆点处的土壤并给出了阳性的结果，但随后即被许多科学家所否定，而这一结果也仍就处在争议之中。现存生物活动也是火星大气中存在微量甲烷的解释之一，但亦有其它与生命无关的解释。
人类若对外星殖民，由于火星的适宜条件（同其他行星相比，火星最像地球，而且距离相对较近），它将是人类的首选地点。
2018年6月6日，美国太空总署宣布，好奇号探测车在火星的古老湖床的岩石里，发现有机物质。这可能对寻找生命给出重要线索。