火星

物理特徵

以直徑、質量、表面重力來說，火星約介於地球和月球中間：火星直徑約為地球的一半、月球的兩倍，質量約為地球的九分之一、月球的九倍，表面重力約為地球的38%、月球的2.4倍。火星體積約為地球的15%，質量約為11%，表面積略小於地球陸地面積，密度則比其他三顆類地行星還要小很多。2012年8月，加利福尼亞大學洛杉磯分校的教授尹安在分析了100張來自火星勘測軌道飛行器的衛星圖片後發現，火星有類似地球主要板塊劃分的構造特點。
長期觀測火星發現，南半球地勢比北半球高，北極盆地顯示有過大撞擊，推論約45億年前遭冥王星大小天體撞擊之後，不但形成火衛一和火衛二，亦逼使內核熱能散溢出上地函、內部攪拌逐漸停止，無法以發電機原理持續對流生成磁場。由於火星比地球小，相對表面積與體積成反比而較大，因此火星核心也冷卻得比地球的快，地質活動趨緩，磁場和板塊運動消逝，太陽風帶走大氣變薄導致氣壓偏低，而造成液態水在低溫就會沸騰、無法穩定存在。

地質

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，沒有穩定的液態水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發生。與地球相比，地質活動不活躍。
火星地表地貌大部份於遠古較活躍的時期形成，充滿撞擊坑，有密布的隕石坑、火山與峽谷，包括太陽系最高的山：奧林帕斯山和最大的峽谷：水手號峽谷。另一個獨特的特徵是南北半球的明顯差別：南方是古老、充滿隕石坑的高地，北方則是較年輕的平原，兩極皆有主要以水冰組成的極冠，而上覆的乾冰會隨季節消長。
基於撞擊坑密度的撞擊坑計數法可判別出地表年齡：撞擊坑大而密集處較老，反之則年輕，進而將地質年代分為四個階段：前諾亞紀、諾亞紀、赫斯珀利亞紀和亞馬遜紀。前諾亞紀沒有留下實質地表，此時地形南北差異形成，有全球性磁層；諾亞紀有大量隕石撞擊，火山活動旺盛，可能有溫暖潮濕的大氣、河川和海洋，侵蝕旺盛，但到末期這些活動已減弱很多；赫斯珀利亞紀，火山活動仍然繼續；亞馬遜紀則是大氣稀薄乾燥，以冰為主要活動，如極冠、冰凍層、冰河，並有週期性變遷，溝壑也是這時期形成，火山活動趨緩並集中在塔爾西斯與埃律西昂。
現今火星風成地形遍布，如吹蝕、磨蝕等風蝕作用，和沙塵遇地形阻礙而填積、侵積等風積作用。（名詞解釋：）前者形成如廣泛分布於梅杜莎槽溝層的風蝕脊，後者則如大瑟提斯高原上撞擊坑下風處的沙塵堆積，和撞擊坑中常見的沙丘。

地理

火星和地球一樣擁有多樣的地形，有高山、平原和峽谷。南北半球的地形有著強烈的對比：北方是被熔岩填平的低原，南方則是充滿撞擊坑的古老高地，而兩者之間以明顯的斜坡分隔；火山地形穿插其中，眾多峽谷分布各地，南北極有以水冰與乾冰組成的極冠，而風成沙丘廣布整個星球。隨著衛星拍攝的越來越多，更發現很多耐人尋味的地形景觀。
20世紀早期地面以無線電波測量火星地形。1976年海盜號進行的地形測量，發現了峽谷和南北半球的巨大差異，而衍生出北方平原本是海洋的假說。火星全球勘測者自1999年起以雷射進行更精確的地形測量，得出目前使用的全球地形圖，以火星大地水準面（Areoid）為基準，最高點在奧林帕斯山，高21,229公尺；最低點在希臘平原，低於基準8,200公尺。現在很多探測器如火星勘察衛星、火星快車號和火星探測漫遊者運用航照圖的地形判別方法，以視差法來測量區域地形，並製成高解析度立體照片。
火星的經度坐標採用東經0至360度，不是地球的東西經各180度。
來自火星奧德賽號上熱輻射成像系統（THEMIS）的影像顯示阿爾西亞山北坡有七個可能的深洞，照片中光線無法抵達底部，推測底部可能更深、更寬，可能免受微隕星、紫外線、太陽閃焰和其他高能粒子的侵害，可能是未來尋找液態水或生命痕跡的可行地點。但後來火星勘察衛星的更高解析度HiRISE影像部分推翻了之前猜測，認為只是光線角度造成深不見底的樣子。

大氣

火星大氣層相對較薄，平均地表氣壓只有6百帕，約為地球表面氣壓的0.6%，相當於地球表面算起35公里高的氣壓，如此低的氣壓使聲音傳播的距離只有在地球上的1.5%。隨著季節的變化，火星氣壓變化可達20%。火星大氣層按高度可分為低層大氣、中層大氣、上層大氣和外氣層。其中低層大氣由於氣懸微塵與地表的熱，這部份相對溫暖；中層大氣存在有高速氣流；上層大氣（或熱氣層）溫度很高，大氣分子也不再像下層那樣分布均勻；外氣層高度在200公里以上，大氣漸漸過度到太空，無明顯外層邊界。
火星大氣成分為95%的二氧化碳，3%的氮氣，1.6%氬氣，很少的氧氣、水氣等，亦充滿著很多懸浮塵埃，吸收藍光使天空成黃褐色。2003年火星大衝時地面望遠鏡在大氣中發現了甲烷；2004年3月，火星奧德賽號確認了這一發現。由於甲烷易被紫外線分解，存在甲烷表示現在或者最近幾百年內在火星上存在製造甲烷的來源，火山作用、地質作用、彗星或小行星撞擊甚至生物來源如甲烷古菌等都有可能。2013年9月19日，根據從好奇號得到的進一步測量數據，NASA科學家報告，並沒有偵測到大氣甲烷（atmospheric methan）存在跡象，測量值為0.18±0.67 ppbv，對應於1.3 ppbv上限（95%置信限），因此總結甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不會排出任何甲烷，仍舊可能在火星發現這些不會排出任何甲烷的微生物。
由於火星比地球離太陽遠，日射量較少，表面溫度應較低，計算值約210K，但實際觀測地表平均約240K，則是因為大量的二氧化碳所造成的溫室效應。由於大氣層很薄，無法保留很多熱，使地表日夜溫差很大，某些地區地表溫度白天可達28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃。火星大氣環流主要為單胞環流，由赤道相對熱空氣上升，漂至極區下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的夏半球，極冠的二氧化碳昇華進入大氣，使氣壓升高；而冬半球由於二氧化碳凝華，氣壓下降，由於進出大氣的二氧化碳量高達25%，造成南北壓力差，空氣便傾向由高壓的夏半球流向低壓的冬半球，形成另一依季節而變向的環流。因此火星的天氣系統趨向成為全球性的，例如塵暴。
火星天氣重覆次數較高，比地球容易預測。如果一個氣象事件在一年的特定時間中發生，可提供的資料（相當稀疏）指出，很可能在下一年幾乎同一個位置再發生一次，誤差最多一個星期。2008年9月29日，鳳凰號拍下了降雪事件，是在接近鳳凰號登陸地點附近海姆達爾撞擊坑之上，高 4.5 公里的雲降雪。這次降水在到達火星表面時就已蒸發，這現象稱為幡狀雲。火星上的風速要超過地球100倍。

水文

火星地表遍布著流水的遺跡，有些是洪水刻畫而成，有些則是降雨或地下水流動而形成，但多半年代久遠。沖蝕溝（gullies）則是另一類規模較小的地形，但形成年代十分年輕，常分布於撞擊坑壁，型態多樣。關於成因有兩派說法，一派認為是由流動的水造成，另一方則認為是凹處累積的乾冰促使了鬆軟物質滑動。
火星南北極有明顯的極冠，曾被認為是由乾冰組成，但實際上絕大部分為水冰，只有表面一層為乾冰。這層乾冰在北極約1公尺厚，在南極則約8公尺厚，是冬季時凝華而成，到夏季則再度昇華進入大氣，不過南極的乾冰並不會完全昇華。夏季仍存在的部分稱為永久極冠，而整體構造稱做極地層狀沉積（Polar Layered Deposits），和地球南極洲與格陵蘭冰層一樣為一層層的沉積構造。北極冠寬達1,100公里，厚達2公里，體積82.1萬立方公里；南極冠寬達1,400公里，最厚達3.7公里，體積約1.6百萬立方公里。兩極冰冠皆有獨特的螺旋狀凹谷，推論主要是由光照與夏季接近昇華點的溫度使溝槽兩側水冰發生差異融解和凝結而逐漸形成的。
2011年由火星勘察衛星的淺地層雷達發現南極冠有部分原本認為是水冰的地層其實是乾冰，所含二氧化碳量相當於大氣含量的80%，這比以往認為的要多很多。根據此的模擬結果，十萬年一週期的氣候變遷中藉由乾冰昇華、凝結，大氣總質量的變化幅度會達數倍。由這些乾冰沉積上方地表的下陷與裂隙判斷，乾冰正在慢慢昇華。
自海盜號即發現，火星北半球中緯度有幾處峽谷底含有條紋流動狀的地表特徵，但不確定是富含冰的山崩、含冰土的流動或是塵礫覆蓋的冰河。但根據更新任務的資料與比對地球的相關地形，支持這些是冰河，且推測是自轉軸傾角較大時的氣候狀態下所累積的。
由火星奧德賽號X射線光譜儀的中子偵測器得知，自極區延伸至緯度約60°的地方表層一公尺的土壤含冰量超過60%，推論有更大量的水凍在厚厚的地下冰層（cryosphere）。
另外一個關於火星上曾存在液態水的證據，就是發現特定礦物，如赤鐵礦和針鐵礦，而這兩者都需在有水環境才能形成。
對於於火星上有冰存在的直接證據在2008年6月20日被鳳凰號發現，鳳凰號在火星上挖掘發現了八粒白色的物體，當時研究人員揣測這些物體不是鹽（在火星有發現鹽礦）就是冰，而四天後這些白粒就憑空消失，因此這些白粒一定昇華了，鹽不會有這種現象。2008年7月31日，美國航空暨太空總署科學家宣布，鳳凰號火星探測車在火星上加熱土壤樣本時鑑別出有水蒸氣產生，從而最終確認火星上有水存在。
2013年9月26日，美國航空暨太空總署科學家報告，火星探測車好奇號發現火星土壤含有豐富水分，大約為1.5至 3重量百分比，顯示火星有足夠的水資源供給未來移民使用。
2015年9月28日，美國航空暨太空總署宣布，在火星上發現液態的鹽水。根據火星勘測軌道飛行器配備的光譜儀獲得的數據，研究人員在火星的神秘斜坡上發現了水合礦物。這些暗色條紋表明火星地表隨時間變化有流水存在。在較溫暖的季節，這些線條的顏色變得更深，表明水流在斜坡上出現，在較冷的季節，這些地表特徵變淺。在火星的部分地區，最高溫度可以達到攝氏零下23度，此時深色線條最明顯。
2018年7月25日，據義大利媒體報導，該國科學家在火星上首度發現一個地下液態水湖。該研究稱，「火星地下及電離層高級探測雷達」在火星南極冰層下1.5千米處發現一個大型液態水湖，裡面含有鹽。湖的直徑約為20千米，溫度至少為零下10度。

運動規律

火星與太陽平均距離為1.52AU，公轉週期為1.88地球年，687地球日，或668.6火星日。火星公轉軌道和地球的一樣，受太陽系其他天體影響而不斷變動。軌道離心率有兩個變化週期，分別是9.6萬年和210萬年，於0.002至0.12間變化；而地球的是10萬年和41.3萬年，於0.005至0.058間變化（見米蘭科維奇循環）。
火星日平均為24小時39分35.244秒，或1.027地球日。火星目前自轉軸傾角為25.19度，和地球的相近，但可在13度至40度間變化，週期為一千多萬年，不像地球的穩定處於22.1和24.5度間，是因為火星沒有如月球般的巨大衛星來維持自轉軸。由於沒有大衛星的潮汐作用，火星自轉週期變化小，不像地球的會被慢慢拉長。
火星自轉軸有明顯傾斜，日照的年變化形成明顯的四季變化，而一季的長度約為地球的兩倍。由於火星軌道離心率大，為0.093（地球只有0.017），使各季節長度不一致，又因遠日點接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各長約40天。2009年10月26日為北半球春分，2010年5月13日為夏至，目前北半球處春季。雖然火星沒有地球般受海洋影響的複雜氣候，但仍有以下特殊之處：火星軌道離心率比地球大，造成日射量在一年當中變化更大，位於近日點時，南半球處夏季，比北半球遠日點夏季所造成的升溫更強；隨季節交替，二氧化碳和水氣會昇華和凝結而在兩極冠間遷移，驅動大氣環流；地表反照率特徵，因顏色深淺和沙、岩性質差異而造成的容積熱容不同，可影響大氣環流；易發生的塵暴會將沙塵粒子捲入高空，沙塵粒子吸收日光與再輻射會使高層大氣增溫，但遮蔽天空的沙塵會使地表降溫；自轉軸傾角和軌道離心率的長期變化則造成了氣候的長期變遷。火星表面的平均溫度比地球低30度以上。
目前火星與地球最短距離正慢慢減小。當地球與火星之間的距離最小時，稱為火星衝日。火星相鄰兩次衝日的時間間隔約為779天，最近一次出現在2018年7月27日，下一次火星衝日將出現在2020年10月13日。當地球與太陽和火星連成一線時，在火星上便可看到地球凌日，在太陽的位置可看到地球的黑點通過，同理還有水星凌日 (火星)，在地球上則不會看到火星凌日。

衛星

火星有兩個天然衛星——火衛一（Phobos）與火衛二（Deimos），最長直徑各為27公里和16公里，形狀不規則並充滿撞擊坑，以近圓形的軌道於接近火星赤道面處公轉。它們雖然很小，但由於接近火星，使火衛一從火星上看約有滿月直徑的二分之一至三分之一大，而視星等火衛一可達-7，火衛二可達-5，白天可能可見。和月球一樣，這兩顆衛星都被火星潮汐鎖定，因此他們總是以一面對著火星。火衛一的公轉週期比火星自轉更快，所以在火星上來看是西升東落的，且只花了約4個小時；而火衛二的公轉周期只比火星自轉慢一些，東昇西落要花約2.4個火星日。因為火衛一離火星很近，火星的潮汐力會慢慢但穩定地減小它的軌道半徑，預計再過約760萬年，火衛一將因軌道低於3620公里，也就是火星的洛希極限而被瓦解。另一方面火衛二因為離火星足夠遠，所以它的軌道反而正在慢慢地被推進。
兩衛星可能是捕獲的小行星，但新研究認為可能是撞擊事件、或原本的衛星被火星潮汐力拉碎後，由散布軌道上的岩屑再度吸積而形成。
兩顆衛星是在1877年被阿薩夫·霍爾發現的，以希臘神話中的福波斯和得摩斯命名，兩者皆為戰神阿瑞斯的兒子。

古代

火星的火紅色，自古就吸引著人們，希臘人稱為戰神。此時火星觀測和其他天體般，大部分是為了占星，而後漸漸涉及科學方面，如克卜勒探索行星運動定律時是依據第谷積累的大量而精密的火星運行觀測資料。
望遠鏡出現後，人們對火星可以進行更進一步的觀測。使用望遠鏡觀測星空的伽利略所見的火星只是一個橘紅小點，然而隨著望遠鏡的發展，觀測者開始辨別到一些明暗特徵。惠更斯依此測出火星自轉週期約為24.6小時，而他亦為首次紀錄火星南極冠的人。一開始由於各人各自觀測，意見不一致，地名也未統一（例如用繪製者名字命名）。後來義大利的喬范尼·斯基亞帕雷利統合了各家說法而繪製了地圖，地名取自地中海、中東等的地名和聖經等作為來源，而其餘則依照舊有的觀念：暗區被認為是湖（lacus）海（mare）等水體，如太陽湖、塞壬海、明顯的暗大三角——大瑟提斯；而亮區則是陸地，如亞馬遜。這個命名系統一直延續下來。
當時，斯基亞帕雷利和同期觀測者一樣，觀察到了火星表面似乎有一些從暗區延伸出的細線，因為對於暗區是水體的傳統，這些細線命名為水道（canali）。而後來觀察到暗區會在冬季時縮小、夏季時擴張，有人提出暗區是植物覆蓋、而暗區的擴大縮小則是消長所引起的，改變以往認為暗區是水的說法。帕西瓦爾·羅威爾觀察到並宣稱那些「水道」其實是人工挖掘的「運河」，用來灌溉植物，因為水道應太細不可見，而看到的細線應是灌溉出的大片植物。風靡大眾的火星科幻和火星人即源於此。不過這些細線大多已證明是不存在的，部分則是峽谷或隕石坑後延伸出的深色沙子。而火星表面顏色的改變則是因為沙被風吹移，或發生火星塵暴。
到了太空時代，水手4號傳回的充滿隕石坑的火星照片粉碎了人們對火星文明的幻想，認為火星只是一處如月球般布滿隕石坑的死寂星球。但隨著往後水手9號等的巨大峽谷、火山和疑似流水遺跡的發現，火星的獨特性、液態水和生命的可能又重新引起人們的興趣。（見#近代探測）

火星生命

2000年，美國科學家在南極洲發現了一塊火星隕石。這是一塊碳酸鹽隕石，後被編號為ALH84001。美國國家航空暨太空總署聲稱在這塊隕石上發現了一些類似微體化石的結構，有人認為這可能是火星生命存在的證據，但也有人認為這只是自然生成的礦物晶體。直到2004年，爭論的雙方仍然沒有任何一方占據上風。
有證據顯示火星曾比今日更適合生命存在，但生命在火星上到底是否真正存在過還沒有確切的結論。某些研究者認為源自火星的ALH84001隕石有過去生命活動的證據，但這一看法至今尚未得到公認。另有反對的觀點認為，自幾十億年前產生以來，該隕石從未長期處於液態水存在的溫度下（因而不會曾有生命活動）。
海盜號曾做實驗檢測火星土壤中可能存在的微生物。實驗只分析了海盜號著陸點處的土壤並給出了陽性的結果，但隨後即被許多科學家所否定，而這一結果也仍就處在爭議之中。現存生物活動也是火星大氣中存在微量甲烷的解釋之一，但亦有其它與生命無關的解釋。
人類若對外星殖民，由於火星的適宜條件（同其他行星相比，火星最像地球，而且距離相對較近），它將是人類的首選地點。
2018年6月6日，美國太空總署宣布，好奇號探測車在火星的古老湖床的岩石裏，發現有機物質。這可能對尋找生命給出重要線索。