ดาวอังคาร
ดาวอังคาร () เป็นดาวเคราะห์ลำดับที่สี่จากดวงอาทิตย์ เป็นดาวเคราะห์เล็กที่สุดอันดับที่สองในระบบสุริยะรองจากดาวพุธ ในภาษาอังกฤษได้ชื่อตามเทพเจ้าแห่งสงครามของโรมัน มักได้รับขนานนาม "ดาวแดง" เพราะมีออกไซด์ของเหล็กดาษดื่นบนพื้นผิวทำให้มีสีออกแดงเรื่อ ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์หินที่มีบรรยากาศเบาบาง มีลักษณะพื้นผิวคล้ายคลึงกับทั้งหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ และภูเขาไฟ หุบเขา ทะเลทราย ตลอดจนพิดน้ำแข็งขั้วดาวที่ปรากฏบนโลก คาบการหมุนรอบตัวเองและวัฏจักรฤดูกาลของดาวอังคารก็มีความคล้ายคลึงกับโลกซึ่งความเอียงก่อให้เกิดฤดูกาลต่าง ๆ ดาวอังคารเป็นที่ตั้งของโอลิมปัสมอนส์ ภูเขาไฟใหญ่ที่สุดบนดาวอังคารและสูงสุดอันดับสองในระบบสุริยะเท่าที่มีการค้นพบ และเป็นที่ตั้งของเวลส์มาริเนริส แคนยอนขนาดใหญ่อันดับต้น ๆ ในระบบสุริยะ แอ่งบอเรียลิสที่ราบเรียบในซีกเหนือของดาวปกคลุมกว่าร้อยละ 40 ของพื้นที่ทั้งหมดและอาจเป็นลักษณะการถูกอุกกาบาตชนครั้งใหญ่ ดาวอังคารมีดาวบริวารสองดวง คือ โฟบอสและดีมอสซึ่งต่างก็มีขนาดเล็กและมีรูปร่างบิดเบี้ยว ทั้งคู่อาจเป็นดาวเคราะห์น้อยที่ถูกจับไว้ คล้ายกับทรอยของดาวอังคาร เช่น 5261 ยูเรกา
ก่อนหน้าการบินผ่านดาวอังคารที่สำเร็จครั้งแรกของ "มาริเนอร์ 4" เมื่อปี 1965 หลายคนคาดว่ามีน้ำในรูปของเหลวบนพื้นผิวดาวอังคาร แนวคิดนี้อาศัยผลต่างเป็นคาบที่สังเกตได้ของรอยมืดและรอยสว่าง โดยเฉพาะในละติจูดขั้วดาวซึ่งดูเป็นทะเลและทวีป บางคนแปลความรอยมืดริ้วลายขนานเป็นร่องทดน้ำสำหรับน้ำในรูปของเหลว ภายหลัง มีการอธิบายว่าภูมิประเทศเส้นตรงเหล่านั้นเป็นภาพลวงตา แม้ว่าหลักฐานทางธรณีวิทยาที่ภารกิจไร้คนบังคับรวบรวมชี้ว่า ครั้งหนึ่งดาวอังคารเคยมีน้ำปริมาณมากปกคลุมบนพื้นผิว ณ ช่วงใดช่วงหนึ่งในระยะต้น ๆ ของอายุ ในปี 2005 เรดาร์เผยว่ามีน้ำแข็งน้ำ (water ice) ปริมาณมากขั้วทั้งสองของดาว และที่ละติจูดกลาง ยานสำรวจภาคพื้นดาวอังคาร"สปิริต" พบตัวอย่างสารประกอบเคมีที่มีโมเลกุลน้ำเมื่อเดือนมีนาคม 2007 ส่วนลงจอด"ฟีนิกซ์" พบตัวอย่างน้ำแข็งน้ำโดยตรงในดินส่วนตื้นของดาวอังคารเมื่อวันที่ 31 กรกฎาคม 2008
มียานอวกาศที่กำลังปฏิบัติงานอยู่เจ็ดลำ ห้าลำอยู่ในวงโคจร ได้แก่ "2001 มาร์สโอดิสซี" "มาร์สเอ็กซ์เพรส" "มาร์สรีคอนเนสเซนซ์ออร์บิเตอร์" "เมเว็น" และ"มาร์สออร์บิเตอร์มิชชัน" และสองลำบนพื้นผิว ได้แก่ ยานสำรวจภาคพื้นดาวอังคาร"ออปพอร์ทูนิตี" และยานมาร์สไซแอนซ์แลบอราทอรี"คิวริออซิตี" การสังเกตโดย "มาร์สรีคอนเนสเซนซ์ออร์บิเตอร์" เปิดเผยว่ามีความเป็นไปได้ที่จะมีน้ำไหลในช่วงเดือนที่ร้อนที่สุดบนดาวอังคาร ในปี 2013 ยาน"คิวริออซิตี" ของนาซาค้นพบว่าดินของดาวอังคารมีน้ำเป็นองค์ประกอบระหว่างร้อยละ 1.5 ถึง 3 โดยมวล แม้ว่าน้ำนั้นจะติดอยู่กับสารประกอบอื่น ทำให้ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยอิสระ
กำลังมีการสืบค้นเพื่อประเมินศักยภาพความสามารถอยู่อาศัยได้ในอดีตของดาวอังคาร ตลอดจนความเป็นไปได้ที่จะมีสิ่งมีชีวิตหลงเหลืออยู่ มีการสืบค้นบริเวณนั้นโดยส่วนลงจอด "ไวกิง" โรเวอร์ "สปิริต" และ"ออปพอร์ทูนิตี" ส่วนลงจอด"ฟีนิกซ์" และโรเวอร์ "คิวริออซิตี" มีการวางแผนภารกิจทางชีวดาราศาสตร์ไว้แล้ว ซึ่งรวม "มาร์ส 2020" และ"เอ็กโซมาร์สโรเวอร์"
ดาวอังคารสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าจากโลกโดยง่ายซึ่งจะปรากฏให้เห็นเป็นสีออกแดง มีความส่องสว่างปรากฏได้ถึง −2.91 ซึ่งเป็นรองเพียงดาวพฤหัสบดี ดาวศุกร์ ดวงจันทร์ และดวงอาทิตย์ กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินโดยทั่วไปมีขีดจำกัดการมองเห็นรายละเอียดของภูมิประเทศขนาดประมาณ 300 กิโลเมตรเมื่อโลกและดาวอังคารเข้าใกล้กันมากที่สุดอันเป็นผลจากบรรยากาศของโลก
ดาวอังคารมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณครึ่งหนึ่งของโลก และมีพื้นที่ผิวน้อยกว่าพื้นที่ผิวดินทั้งหมดของโลกรวมกันเพียงเล็กน้อย ดาวอังคารมีความหนาแน่นน้อยกว่าโลก มีปริมาตรประมาณร้อยละ 15 ของโลก และมีมวลประมาณร้อยละ 11 ของมวลของโลก ลักษณะปรากฏสีแดงปนส้มของพื้นผิวดาวอังคารมีสาเหตุมาจากไอเอิร์น(III) ออกไซด์ หรือสนิมเหล็ก อาจมองเห็นคล้ายกับบัตเตอร์สกอตช์ และสีอื่น ๆ ที่ปรากฏทั่วไปตามพื้นผิวนั้นมีได้ทั้งสีทอง สีน้ำตาล สีน้ำตาลอ่อน หรือสีออกเขียวขึ้นอยู่กับแร่องค์ประกอบ
ดาวอังคารมีการแยกชั้นองค์ประกอบเช่นเดียวกับโลก โดยแบ่งเป็นส่วนแก่นโลหะความหนาแน่นสูงซึ่งถูกห่อหุ้มอยู่ภายใต้ส่วนประกอบอื่น ๆ ที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า แบบจำลองปัจจุบันของโครงสร้างภายในแสดงรัศมีอาณาบริเวณของแก่นดาวอยู่ที่ประมาณ มีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็กและนิกเกิล โดยมีกำมะถันรวมอยู่ด้วยประมาณร้อยละ 16–17 คาดว่าแก่นไอเอิร์น(II) ซัลไฟด์นั้นมีธาตุเบาเป็นองค์ประกอบมากกว่าแก่นของโลกถึงสองเท่า แก่นดาวล้อมรอบไปด้วยเนื้อดาวซิลิเกตซึ่งประกอบขึ้นเป็นโครงสร้างทางธรณีสัณฐานและภูเขาไฟต่าง ๆ บนดาวเคราะห์ซึ่งในปัจจุบันเหมือนจะสงบนิ่ง นอกเหนือจากซิลิกอนและออกซิเจน ธาตุที่มีมากที่สุดในเปลือกผิวของดาวอังคารได้แก่ เหล็ก แมกนีเซียม อะลูมิเนียม แคลเซียม และโพแทสเซียม ความหนาเฉลี่ยของเปลือกดาวอยู่ที่ประมาณ 50 กิโลเมตร มีความหนาสูงสุดที่ประมาณ 125 กิโลเมตร ส่วนเปลือกโลกซึ่งมีความหนาเฉลี่ย 40 กิโลเมตร
ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์หินประกอบขึ้นจากแร่ชนิดต่าง ๆ ที่มีซิลิกอน ออกซิเจน โลหะ ตลอดจนธาตุอื่น ๆ อีกหลายชนิดเป็นองค์ประกอบรวมกันเข้าเป็นหิน พื้นผิวของดาวอังคารมีหินบะซอลต์ชนิดโทเลอิทิกเป็นองค์ประกอบหลัก แม้ว่าหลายส่วนเป็นหินชนิดที่มีซิลิกาสูงมากกว่าหินบะซอลต์ทั่วไปและอาจมีความคล้ายคลึงกับหินแอนดีไซต์บนโลกหรือแก้วซิลิเกต ภูมิภาคที่มีอัตราส่วนสะท้อนต่ำแสดงการมีเฟลด์สปาร์กลุ่มเพลจิโอเคลสหนาแน่น ในขณะที่ภูมิภาคที่มีอัตราส่วนสะท้อนต่ำทางตอนเหนือเผยให้เห็นการมีแผ่นซิลิเกตและแก้วชนิดที่มีซิลิกอนสูงด้วยความหนาแน่นสูงกว่าปกติ ในหลายส่วนของภูมิภาคที่ราบสูงตอนใต้ตรวจพบไพรอกซีนชนิดแคลเซียมสูงรวมอยู่เป็นปริมาณมาก นอกจากนั้นยังมีการพบฮีมาไทต์และโอลิวีนหนาแน่นในภูมิภาคจำเพาะบางแห่ง พื้นที่ผิวส่วนใหญ่ถูกปกคลุมด้วยชั้นหนาของเม็ดฝุ่นไอเอิร์น(III) ออกไซด์ละเอียด
ถึงแม้ว่าดาวอังคารจะไม่มีหลักฐานของโครงสร้างสนามแม่เหล็กระดับครอบคลุมทั่วทั้งดาวในปัจจุบัน แต่ผลการสังเกตแสดงให้ทราบว่าหลายส่วนของเปลือกดาวถูกกระทำด้วยอำนาจแม่เหล็กและการพลิกผันสลับขั้วของสนามไดโพลเคยปรากฏมาแล้วในอดีต เพราะในทางบรรพวิทยาแม่เหล็ก แร่ที่มีความไวต่อแรงแม่เหล็กนั้นย่อมแสดงคุณสมบัติเช่นเดียวกันกับแถบสลับที่พบบนพื้นมหาสมุทรของโลก ทฤษฎีหนึ่งที่มีการตีพิมพ์ในปี 1999 และมีการตรวจสอบอีกครั้งในเดือนตุลาคม ปี 2005 (โดยอาศัยข้อมูลจาก"มาร์สโกลบอลเซอร์เวเยอร์") ชี้ว่าแนวแถบต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นแสดงถึงกิจกรรมการแปรสัณฐานแผ่นธรณีภาคบนดาวอังคารเมื่อเวลากว่าสี่พันล้านปีก่อน ก่อนที่ไดนาโมของดาวเคราะห์จะหยุดลงเป็นผลให้สนามแม่เหล็กของดาวจางหายไป
ในช่วงการก่อกำเนิดระบบสุริยะ ดาวอังคารได้ถือกำเนิดขึ้นจากผลของกระบวนการสุ่มของมวลที่พอกพูนขึ้นแยกออกจากจานดาวเคราะห์ก่อนเกิดที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ดาวอังคารจึงมีคุณลักษณะทางเคมีที่จำเพาะพิเศษหลายประการตามตำแหน่งในระบบสุริยะ ธาตุต่าง ๆ ที่มีจุดเดือดค่อนข้างต่ำตัวอย่างเช่นคลอรีน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน จะพบเป็นปกติบนดาวอังคารในระดับที่มากกว่าโลก เป็นไปได้ว่าธาตุเหล่านี้ถูกขับออกมาจากบริเวณใกล้ดวงอาทิตย์โดยลมสุริยะอันทรงพลังในช่วงต้นของอายุขัย
หลังการก่อกำเนิดดาวเคราะห์แล้ว ดาวเคราะห์ทั้งหมดล้วนเผชิญ "การระดมชนหนักครั้งหลัง" กว่าร้อยละ 60 ของพื้นที่ผิวดาวอังคารแสดงบันทึกเหตุการณ์การระดมชนจากยุคนั้น ในขณะที่เป็นไปได้ว่าพื้นที่ผิวส่วนที่เหลืออีกมากมายวางตัวอยู่ภายใต้แอ่งขนาดมโหฬารซึ่งก็เกิดขึ้นจากเหตุการณ์ดังกล่าว มีหลักฐานของแอ่งพุ่งชนขนาดมหึมาในบริเวณซีกโลกเหนือของดาวอังคารซึ่งแผ่ขยายกว้างราว 8,500 กิโลเมตร และยาวร่วม 10,600 กิโลเมตร หรือมีขนาดใหญ่เป็นสี่เท่าของแอ่งไอต์เค็น-ขั้วใต้ของดวงจันทร์ ทำให้เป็นแอ่งจากการพุ่งชนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่มีการค้นพบ ทฤษฎีนี้เสนอว่าดาวอังคารถูกพุ่งชนโดยวัตถุขนาดเท่าดาวพลูโตเมื่อประมาณสี่พันล้านปีก่อน และคาดว่าเหตุการณ์นี้เองเป็นสาเหตุทำให้ดาวอังคารมีซีกดาวแตกต่างกันเป็นสองลักษณะอย่างชัดเจน เกิดแอ่งบอเรียลิสอันราบเรียบปกคลุมพื้นที่กว่าร้อยละ 40 ทางซีกเหนือของดาวเคราะห์
ประวัติศาสตร์ธรณีวิทยาของดาวอังคารสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายช่วงเวลา แต่สำหรับช่วงเวลาหลักแล้วสามารถแบ่งได้เป็นสามยุคด้วยกัน
กัมมันตภาพธรณีวิทยาบางอย่างยังคงเกิดขึ้นบนดาวอังคาร ที่หุบเขาอะธาบาสกามีร่องรอยการไหลของลาวาในลักษณะเป็นแผ่นอายุกว่า 200 ล้านปี ปรากฏร่องรอยการไหลของน้ำในพื้นผิวท่ามกลางรอยเลื่อนซึ่งเรียกว่าร่องแยกเซอร์เบอรัสด้วยอายุน้อยกว่า 20 ล้านปี บ่งชี้ว่าเป็นการพลุ่งขึ้นของภูเขาไฟเมื่อไม่นานมานี้เช่นกัน วันที่ 19 กุมภาพันธ์ 2008 ภาพจากยานมาร์สรีคอนเนสเซนซ์ออร์บิเตอร์แสดงให้เห็นหลักฐานของหิมะที่พังทลายลงมาจากหน้าผาความสูง 700 เมตร
ข้อมูลจากยานส่วนลงจอด "ฟีนิกซ์" ที่ส่งกลับมาแสดงว่าดินดาวอังคารมีความเป็นด่างเล็กน้อยและประกอบด้วยธาตุต่าง ๆ อาทิเช่น แมกนีเซียม โซเดียม โพแทสเซียม และคลอรีน สารอาหารเหล่านี้สามารถพบได้ทั่วไปในสวนบนโลกและต่างก็จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช การทดสอบโดนยานสำรวจเผยว่าดินดาวอังคารมีสมบัติเป็นด่างด้วยค่า พีเอชที่ 7.7 และมีเกลือเปอร์คลอเรตอยู่ราวร้อยละ 0.6
มีภูมิประเทศที่เป็นเส้นพาดขวางอยู่ทั่วไปบนดาวอังคารและที่เกิดขึ้นใหม่ ๆ ปรากฏบ่อยครั้งในบริเวณส่วนลาดที่สูงชันของหลุมตกกระทบ ร่องลึก และหุบเหว รอยเส้นพาดจะมีสีคล้ำในช่วงแรกแล้วค่อย ๆ จางลงเมื่อเวลาผ่านไป ในบางครั้งรอยเส้นเริ่มต้นในพื้นที่เล็ก ๆ ก่อนที่จะแผ่ขยายกว้างออกไปได้เป็นหลายร้อยเมตร สามารถมองเห็นได้ตามขอบของหินขนาดใหญ่และเครื่องกีดขวางต่าง ๆ ตามเส้นทางอีกด้วย ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปกล่าวว่ารอยเส้นเหล่านั้นเป็นดินชั้นล่างซึ่งมีสีคล้ำแต่ถูกเปิดออกมาให้เห็นจากการพังทลายของฝุ่นสีจางทางด้านบนหรือโดยพายุฝุ่น มีการเสนอคำอธิบายไปอีกหลายแนวทาง บางส่วนอธิบายว่าเกี่ยวข้องกับน้ำหรือแม้กระทั่งว่าเป็นการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต
น้ำของเหลวนั้นไม่สามารถดำรงอยู่ได้บนดาวอังคารเนื่องจากความกดอากาศที่ต่ำมากเพียงแค่หนึ่งในร้อยของโลก เว้นแต่พื้นที่ลุ่มต่ำบางบริเวณในช่วงเวลาเพียงสั้น ๆ แผ่นน้ำแข็งที่ขั้วดาวทั้งคู่มีสภาพที่พอจะให้น้ำในปริมาณมาก ๆ ได้ เฉพาะปริมาตรของน้ำแข็งขั้วใต้ของดาวหากละลายลงก็จะให้น้ำเพียงพอสำหรับปกคลุมพื้นผิวทั้งหมดของดาวเคราะห์ได้ด้วยความลึก 11 เมตร ชั้นดินเยือกแข็งคงตัวแผ่ขยายจากขั้วดาวลงมาจนถึงประมาณละติจูดที่ 60 องศา คาดว่าน้ำแข็งปริมาณมากถูกจับเอาไว้ภายในไครโอสเฟียร์หนาของดาวอังคาร ข้อมูลเรดาร์จาก "มาร์สเอ็กซ์เพรส" และ "มาร์สรีคอนเนสเซนซ์ออร์บิเตอร์" เมื่อกรกฎาคม 2005 แสดงน้ำแข็งปริมาณมหาศาลที่ขั้วทั้งสองของดาว และในเดือนพฤศจิกายน 2008 พบในบริเวณละติจูดกลาง ยานส่วนลงจอด "ฟีนิกซ์" พบตัวอย่างน้ำแข็งโดยตรงในดินส่วนตื้นของดาวอังคารเมื่อวันที่ 31 กรกฎาคม 2008
ลักษณะทางธรณีสัณฐานที่มองเห็นบนดาวอังคารบ่งชี้อย่างหนักแน่นว่ามีน้ำของเหลวปรากฏบนพื้นผิวดาวเคราะห์ เส้นทางคดเคี้ยวขนาดใหญ่ที่โอบคลุมพื้นดินที่ถูกกัดเซาะหรือช่องทางการไหลออกนั้นตัดผ่านพื้นผิวโดยรอบกว่า 25 แห่ง คาดว่าร่องรอยเหล่านี้เป็นบันทึกประวัติศาสตร์ของกระบวนการกัดเซาะระหว่างที่มีการปลดปล่อยน้ำอย่างถล่มทลายออกมาจากชั้นหินอุ้มน้ำใต้พื้นผิว อย่างไรก็ตามโครงสร้างบางส่วนถูกตั้งสมมติฐานว่าเป็นผลมาจากการกระทำของธารน้ำแข็งหรือลาวา ตัวอย่างหนึ่งที่มีขนาดใหญ่คือ มาดดิมวัลลิส ซึ่งมีความยาว และมีขนาดใหญ่มากยิ่งกว่าแกรนด์แคนยอนด้วยความกว้าง และความลึก ในบางท้องที่ คาดว่าภูมิประเทศถูกกัดสร้างขึ้นมาโดยการไหลของน้ำตั้งแต่ช่วงต้น ๆ ของประวัติศาสตร์ดาวอังคาร ช่องทางการไหลเหล่านี้ที่มีอายุน้อยที่สุดคาดว่าเพิ่งจะเกิดขึ้นเมื่อเวลาเพียงไม่กี่ล้านปีที่แล้ว สำหรับที่อื่น ๆ โดยเฉพาะพื้นที่ที่เก่าแก่ที่สุดบนผิวดาวอังคาร โครงสร้างระดับเล็กย่อยตลอดจนเครือข่ายหุบเขาที่กระจายเป็นกิ่งก้านสาขาล้วนแผ่ขยายพาดขวางเป็นสัดส่วนอย่างมีนัยสำคัญในภาคพื้นภูมิประเทศ รูปลักษณะของหุบเขาเหล่านี้รวมทั้งการกระจายตัวแสดงนัยอย่างเด่นชัดว่าถูกเซาะสร้างโดยการไหลบ่าซึ่งเป็นผลลัพธ์มาจากฝนหรือหิมะที่ตกลงมาเมื่อยุคแรกของประวัติศาสตร์ดาวอังคาร การไหลของน้ำใต้ผิวดินและการผุดเซาะของน้ำบาดาลอาจแสดงบทบาทย่อยสำคัญในหลายเครือข่าย แต่หยาดน้ำฟ้าน่าจะเป็นสาเหตุหลักของริ้วร่องเกือบทั้งหมดในแต่ละกรณี
ร่วมไปกับผนังของหลุมอุกกาบาตหรือหุบเขาลึก มีลักษณะภูมิประเทศนับพันที่ปรากฏคล้ายคลึงกับโตรกห้วยบนพื้นดิน ห้วยต่าง ๆ นี้มักมีอยู่ในพื้นที่ราบสูงทางซีกใต้ของดาวและเผชิญกับเส้นศูนย์สูตร ทั้งหมดชี้ไปในแนวขั้วดาวที่ละติจูด 30 องศา นักวิจัยจำนวนหนึ่งเสนอว่ากระบวนการก่อกำเนิดเกี่ยวข้องกับน้ำของเหลวซึ่งอาจมาจากน้ำแข็งที่ละลาย แม้ว่าจะมีอีกหลายคนแย้งว่ากลไกในการเกิดเกี่ยวข้องกับคาร์บอนไดออกไซด์เยือกแข็งหรือการเคลื่อนที่ของฝุ่นแห้ง ไม่ปรากฏว่ามีโตรกห้วยที่ถูกกร่อนทำลายบางส่วนโดยการผุกร่อนตามสภาพอากาศ และก็สังเกตไม่พบในหลุมจากการพุ่งชนทั้งหลายที่มีความเด่นชัด จึงเป็นเครื่องชี้ว่าภูมิประเทศดังกล่าวยังมีอายุน้อยและอาจเป็นได้ว่ายังคงเกิดขึ้นในปัจจุบัน
ลักษณะทางธรณีวิทยาอื่นอีกหลายประการ เช่น ดินดอนสามเหลี่ยมปากแม่น้ำ และตะกอนน้ำพารูปพัดที่ถูกเก็บรักษาไว้ในหลุมอุกกาบาตต่าง ๆ เป็นพยานหลักฐานที่เสริมให้ทราบว่ามีสภาพแวดล้อมอุ่น-ชื้น ณ บางช่วงเวลาหรือหลายช่วงเวลาในประวัติศาสตร์ยุคต้นของดาวอังคาร สภาวะแวดล้อมเช่นนี้เป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการเกิดมีอย่างกว้างขวางของทะเลสาบหลุมอุกกาบาตที่ข้ามผ่านเป็นสัดส่วนขนาดใหญ่บนพื้นผิว และนับว่ายังเป็นหลักฐานอิสระทั้งในทางแร่วิทยา ตะกอนวิทยา และธรณีสัณฐานวิทยาอีกด้วย 
หลักฐานนอกเหนือจากนี้ที่ยืนยันการที่ครั้งหนึ่งเคยมีน้ำของเหลวปรากฏบนผิวดาวอังคารมาจากการตรวจพบแร่ที่มีความจำเพาะ เช่น ฮีมาไทต์ และเกอไทต์ ซึ่งทั้งคู่บางครั้งจะก่อตัวในที่ที่มีน้ำ ในปี 2004 ยาน"ออปพอร์ทูนิตี" ตรวจพบแร่จาโรไซต์ซึ่งก่อตัวขึ้นเฉพาะเมื่อมีน้ำในสภาพเป็นกรด เป็นเครื่องพิสูจน์ว่าครั้งหนึ่งเคยมีน้ำอยู่บนดาวอังคาร หลักฐานเพิ่มเติมเกี่ยวกับน้ำของเหลวเมื่อไม่นานมานี้มาจากการค้นพบแร่ยิปซัมบนพื้นดินโดยยานสำรวจออปพอร์ทูนิตีของนาซา เมื่อธันวาคม 2011 นอกจากนี้ ฟรานซิส แมคคับบิน หัวหน้าฝ่ายศึกษา นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่มหาวิทยาลัยนิวเม็กซิโกในแอลบูเคอร์คี ตรวจสอบลักษณะไฮดรอกไซด์ในผลึกแร่จากดาวอังคาร แถลงว่าน้ำในแมนเทิลส่วนบนของดาวอังคารมีปริมาณเท่ากับหรือมากกว่าที่โลกมีอยู่ที่ระดับ 50–300 ส่วนในล้านส่วน ซึ่งมากเพียงพอที่จะครอบคลุมพื้นผิวทั้งหมดของดาวได้ด้วยความลึก 200 ถึง 1,000 เมตร
เมื่อวันที่ 18 มีนาคม 2013 นาซารายงานหลักฐานจากเครื่องตรวจวัดบนยานสำรวจ"คิวริออซิตี" ของแร่ที่เกิดขึ้นโดยมีน้ำเป็นองค์ประกอบ อย่างเช่นไฮเดรตของแคลเซียมซัลเฟต ในตัวอย่างหินหลายชนิดรวมทั้งชิ้นส่วนที่แตกออกมาของหิน "ทินทินา" และหิน "ซัตตันอินเลียร์" เช่นเดียวกับเวนและโนดูลในหินอื่น ๆ เช่นหิน "นอร์" และหิน "เวอนิกเก" การวิเคราะห์โดยใช้เครื่องมือดีเอเอ็นของยานสำรวจภาคพื้นให้หลักฐานเรื่องน้ำใต้ผิวดินว่ามีปริมาณกว่าร้อยละ 4 ลึกลงไปจนถึงระดับ 60 เซนติเมตร ในเส้นทางเคลื่อนผ่านของยานจากตำแหน่ง"จุดลงจอดแบรดบูรี" ไปจนถึงพื้นที่ "เยลโลไนฟ์เบย์" ในบริเวณภูมิภาค"เกลเนก"
นักวิจัยบางส่วนเชื่อว่าส่วนใหญ่ของพิ้นที่ราบต่ำทางตอนเหนือของดาวเคยถูกมหาสมุทรปกคลุมด้วยความลึกหลายร้อยเมตร ทั้งนี้ยังอยู่ในระหว่างการโต้แย้ง ในเดือนมีนาคม 2015 นักวิทยาศาสตร์ระบุว่ามหาสมุทรดังกล่าวอาจมีขนาดราวมหาสมุทรอาร์กติกของโลก การวินิจฉัยนี้ได้มาจากการประเมินอัตราส่วนระหว่างน้ำและดิวเทอเรียมในบรรยากาศปัจจุบันของดาวอังคารเทียบกันกับอัตราส่วนที่พบบนโลก ปริมาณดิวเทอเรียมที่พบบนดาวอังคารมีมากกว่าที่ดำรงอยู่บนโลกถึงแปดเท่า บ่งชี้ว่าดาวอังคารครั้งโบราณกาลมีน้ำเป็นปริมาณมากอย่างมีนัยสำคัญ ผลสำรวจจากยาน"คิวริออซิตี" มาพบในภายหลังว่ามีดิวเทอเรียมในอัตราส่วนสูงในหลุมอุกกาบาตเกล อย่างไรก็ตามค่าที่ได้ยังไม่สูงพอที่จะสนับสนุนว่าเคยมีมหาสมุทรอยู่ นักวิทยาศาสตร์รายอื่น ๆ เตือนว่าการศึกษาใหม่นี้ยังไม่ได้รับการยืนยัน และชี้ประเด็นว่าแบบจำลองภูมิอากาศดาวอังคารยังไม่ได้แสดงว่าดาวเคราะห์มีความอบอุ่นเพียงพอในอดีตที่ผ่านมาที่จะเอื้อให้น้ำคงอยู่ในรูปของเหลวได้
ดาวอังคารมีแผ่นน้ำแข็งถาวรอยู่ที่ขั้วทั้งสอง เมื่อถึงฤดูหนาวของแต่ละขั้วพื้นที่โดยรอบก็จะตกอยู่ในความมืดอย่างต่อเนื่อง การเยือกเย็นลงของพื้นผิวเป็นสาเหตุให้เกิดการเยือกแข็งสะสมของบรรยากาศกว่าร้อยละ 25–30 ลงมาเป็นแผ่น CO เยือกแข็ง (น้ำแข็งแห้ง) เมื่อแต่ละขั้วกลับมาได้รับแสงแดดอีกครั้ง CO เยือกแข็งก็จะระเหิด เกิดเป็นลมขนาดมหึมากวาดซัดไปทั่วบริเวณขั้วด้วยอัตราเร็วถึง 400 กิโลเมตร/ชั่วโมง ปรากฏการณ์ตามฤดูกาลนี้ช่วยเคลื่อนย้ายฝุ่นและไอน้ำปริมาณมหาศาลให้ลอยสูงขึ้นคล้ายกับเมฆเซอร์รัสเยือกแข็งขนาดใหญ่บนโลก ยานสำรวจ"ออปพอร์ทูนิตี" ถ่ายภาพเมฆที่เป็นน้ำเยือกแข็งนี้ได้ในปี 2004
แผ่นที่ขั้วโลกทั้งสองมีองค์ประกอบหลักกว่าร้อยละ 70 เป็นน้ำเยือกแข็ง สำหรับคาร์บอนไดออกไซด์เยือกแข็งจะสะสมตัวเป็นชั้นที่บางกว่าเมื่อเทียบกันโดยหนาประมาณหนึ่งเมตรบนแผ่นขั้วเหนือเฉพาะในช่วงฤดูหนาวเท่านั้น ในขณะที่แผ่นขั้วใต้เป็นแผ่นน้ำแข็งแห้งคงตัวปกคลุมด้วยความหนาประมาณแปดเมตร แผ่นน้ำแข็งแห้งคงตัวที่ปกคลุมยังขั้วใต้นี้เกลื่อนกล่นไปด้วยหลุมตื้น ๆ พื้นเรียบขอบโค้งเว้าไม่แน่นอนหรือลักษณะภูมิประเทศแบบเนยแข็งสวิส ภาพถ่ายซ้ำยังสถานที่เดิมแสดงให้เห็นการขยายตัวของรอยเหล่านี้ได้หลายเมตรต่อปี บอกให้ทราบว่าแผ่น CO คงตัวที่ปกคลุมขั้วใต้เบื้องบนแผ่นน้ำแข็งจากน้ำนั้นมีการสลายตัวไปตามเวลา แผ่นปกคลุมขั้วเหนือมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1,000 กิโลเมตร ระหว่างฤดูร้อนของซีกเหนือของดาวอังคาร และมีปริมาตรน้ำแข็งประมาณ 1.6 ล้านลูกบาศก์กิโลเมตร ซึ่งหากกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งแผ่นก็จะมีความหนา 2 กิโลเมตร (เปรียบเทียบกับน้ำแข็งปริมาตร 2.85 ล้านลูกบาศก์กิโลเมตร ของพืดน้ำแข็งกรีนแลนด์) แผ่นชั้วใต้มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 350 กิโลเมตรและมีความหนา 3 กิโลเมตร ปริมาตรรวมของน้ำแข็งในแผ่นขั้วใต้รวมทั้งที่เก็บสะสมในชั้นบริเวณใกล้เคียงประมาณว่ามีอยู่กว่า 1.6 ล้านลูกบาศก์กิโลเมตร แผ่นขั้วโลกทั้งคู่มีร่องรูปเกลียวปรากฏ ตามข้อมูลการวิเคราะห์จากชาเรดหรือเรดาร์สำรวจส่วนตื้นของดาวอังคารผ่านน้ำแข็ง แสดงว่าร่องดังกล่าวเป็นผลจากลมพัดลาดลงซี่งหมุนเป็นเกลียวเนื่องจากผลกระทบโคริโอลิส
การเยือกแข็งตามฤดูกาลในบางท้องที่ใกล้กับแผ่นน้ำแข็งขั้วใต้ทำให้เกิดชั้นใสของแผ่นน้ำแข็งแห้งหนาประมาณหนึ่งเมตรเหนือพื้นดิน เมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิ แสงอาทิตย์ทำให้ใต้พื้นผิวอุ่นขึ้น ความดันจาก CO ระเหิดบริเวณข้างใต้แผ่นจะดัน ยก และสุดท้ายทำให้แผ่นแตกออก ซึ่งนำไปสู่การปะทุแบบไกเซอร์ของแก๊ส CO ผสมกับทรายบะซอลต์สีคล้ำหรือฝุ่น กระบวนการนี้เกิดขึ้นเร็ว สังเกตจากอวกาศได้ในเวลาเพียงไม่กี่วันหรืออาจเป็นหลายสัปดาห์ถึงหลายเดือน อัตราการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างจะไม่ปกติในทางธรณีวิทยาโดยเฉพาะกับดาวอังคาร แก๊สที่เคลื่อนไหลไปข้างใต้แผ่นจนถึงตำแหน่งไกเซอร์จะกัดสลักรูปแบบคล้ายใยแมงมุมกระจายออกเป็นรัศมีตามช่องทางที่ผ่านใต้น้ำแข็ง กระบวนการที่เกิดขึ้นเหมือนกับภาคตรงข้ามของโครงข่ายการกัดเซาะจากน้ำที่ระบายลงหลุมที่ดึงจุกอุดออกไป
แม้ว่าโยฮันน์ ไฮน์ริก ฟอน เมดเลอร์ และวิลเฮล์ม เบียร์จะเป็นที่จดจำอย่างดียิ่งว่าเป็นผู้วาดแผนที่ดวงจันทร์แต่พวกเขาก็เป็น "นักวาดแผนที่ดาวอังคาร" อันดับแรก พวกเขาเริ่มโดยกำหนดภูมิประเทศพื้นผิวดาวอังคารส่วนใหญ่ให้เป็นหลักฐานมั่นคง และโดยการนี้จึงสามารถวัดคาบการหมุนรอบตัวเองของดาวอังคารได้อย่างแม่นยำมากขึ้น ในปี 1840 เมดเลอร์รวบรวมผลการสังเกตตลอดสิบปีของเขาแล้ววาดแผนที่ดาวอังคารขึ้นเป็นครั้งแรก แทนที่จะมีการตั้งชื่อให้กับจุดสังเกตต่าง ๆ อันหลายหลากนั้น เบียร์และเมดเลอร์กลับใช้วิธีง่าย ๆ โดยระบุด้วยตัวอักษร เมอริเดียนเบย์ (ไซนัสเมอริเดียนี) ถูกเรียกเป็นภูมิประเทศ ""a""
ปัจจุบันนี้ภูมิประเทศบนดาวอังคารได้รับการตั้งชื่อจากหลายแหล่งที่มา ภูมิประเทศที่เห็นโดดเด่นจะตั้งชื่อตามเทววิทยาคลาสสิก หลุมอุกกาบาตที่ใหญ่กว่า 60 กิโลเมตรตั้งชื่อตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์ นักเขียน และบุคคลอื่นใดที่มีบทบาทช่วยเหลือสนับสนุนในการศึกษาดาวอังคารซึ่งได้ล่วงลับไปแล้ว หลุมอุกกาบาตที่เล็กกว่า 60 กิโลเมตรลงมา ตั้งชื่อตามชื่อเมืองหรือหมู่บ้านบนโลกซึ่งจะต้องมีประชากรน้อยกว่า 100,000 คน หุบเขาขนาดใหญ่ได้ชื่อมาจาก คำ "ดาวอังคาร" หรือ ดาวฤกษ์" ในภาษาต่าง ๆ นานา ส่วนหุบเขาขนาดเล็กนั้นได้ชื่อจากชื่อของแม่น้ำ
ภูมิประเทศที่มีความโดดเด่นขนาดใหญ่ยังคงมีชื่อเรียกเดิมอยู่หลายชื่อ แต่ก็มักมีการปรับปรุงเพื่อให้สะท้อนองค์ความรู้ใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติของภูมิประเทศนั้น ตัวอย่างเช่น "นิกซ์โอลิมปิกา" (หิมะแห่งโอลิมปัส) กลายมาเป็น "โอลิมปัสมอนส์" (ภูเขาโอลิมปัส) พื้นผิวดาวอังคารที่มองเห็นจากโลกแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มพื้นที่จากความแตกต่างของการสะท้อนแสง ที่ราบสีจางที่ปกคลุมด้วยฝุ่นและทรายอันอุดมไปด้วยออกไซด์ของเหล็กซึ่งมีสีแดงนั้น ครั้งหนึ่งเคยคิดกันว่าเป็น "ทวีป" ของดาวอังคาร จึงมีการตั้งชื่อทำนอง อะเรเบียเทร์รา ("แผ่นดินแห่งอาระเบีย") หรืออย่าง แอมะโซนิสเพลนิเชีย ("ที่ราบแอมะซอน") ภูมิประเทศคล้ำถูกคิดว่าเป็นทะเล ดังนั้นจึงตั้งชื่ออย่าง แมร์เอริเตรียม (ทะเลแดง) แมร์ไซเรนัม และออโรรีไซนัส ภูมิประเทศมืดคล้ำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่มองเห็นจากโลกคือ เซียทิสเมเจอร์เพลนัม แผ่นน้ำแข็งคงตัวทางขั้วเหนือได้ชื่อว่า เพลนัมบอเรียม ในขณะที่แผ่นทางขั้วใต้เรียกว่า เพลนัมออสเทรล
เส้นศูนย์สูตรของดาวอังคารถูกกำหนดโดยการหมุนของดาว แต่ตำแหน่งของเมริเดียนแรกเป็นสิ่งที่ถูกระบุขึ้นเอง ดังเช่นตำแหน่งกรีนิชของโลก คือต้องเลือกกำหนดจุดชี้ขาดขึ้นมา เมดเลอร์และเบียร์ได้เลือกเส้นเมอริเดียนในปี 1830 สำหรับแผนที่แรกของดาวอังคาร ต่อมาภายหลังยานอวกาศมาริเนอร์ 9 ได้ให้ภาพดาวอังคารมากมายในปี 1972 หลุมอุกกาบาตขนาดเล็กซึ่งได้ชื่อภายหลังว่า แอรี-0 ในบริเวณ ไซนัสเมอริเดียนี ("อ่าวตรงกลาง" หรือ "อ่าวเมอริเดียน") ได้ถูกเลือกเป็นจุดนิยามลองจิจูดที่ 0.0 องศา เพื่อให้พ้องตรงกันกับเส้นที่ได้กำหนดไว้เดิม
เพราะดาวอังคารไม่มีมหาสมุทรดังนั้นจึงไม่มี "ระดับน้ำทะเล" พื้นผิวที่มีระดับการยกตัวเป็นศูนย์จึงถูกเลือกใช้เป็นระดับอ้างอิงแทนซึ่งเรียกว่า "แอรีออยด์" ของดาวอังคาร เปรียบดังจีออยด์บนพื้นผิวโลก ระดับความสูงที่มีค่าเท่ากับศูนย์ถูกกำหนด ณ ความสูงที่มีความดันบรรยากาศเท่ากับ 610.5 ปาสกาล (6.105 มิลลิบาร์) ค่าความดันนี้สอดคล้องกับจุดสามสถานะของน้ำและมีค่าประมาณร้อยละ 0.6 ของความดันพื้นผิวที่ระดับน้ำทะเลบนโลก (0.006 บรรยากาศ) ในทางปฏิบัติ ณ ปัจจุบัน พื้นผิวนี้ถูกกำหนดโดยตรงจากดาวเทียมตรวจวัดความโน้มถ่วง
ภาพอิมเมจแมพดังต่อไปนี้ของดาวอังคารแบ่งออกเป็นแผนที่สี่มุมจำนวน 30 ชิ้น กำหนดโดยองค์การสำรวจธรณีวิทยาสหรัฐอเมริกา แผนที่แต่ละชิ้นมีการกำกับตัวเลขพร้อมอักษรนำหน้า "MC" ย่อมาจาก "Mars Chart" หรือแผนภาพดาวอังคาร ด้านบนคือแผนที่ตอนเหนือสุด ตำแหน่ง อยู่ทางซ้ายสุดเหนือเส้นศูนย์สูตร ภาพแผนที่ได้มาจากมาร์สโกลบอลเซอร์เวเยอร์
ภูมิประเทศของดาวอังคารมีการแยกออกเป็นสองลักษณะอย่างโดดเด่นคือ พื้นที่ราบแบนจากการไหลของลาวาทางซีกเหนือซึ่งผิดแผกเด่นชัดจากที่ราบสูงอันอุดมไปด้วยหลุมเล็กหลุมน้อยจากการถูกพุ่งชนมาแต่ครั้งโบราณกาลทางซีกใต้ การวิจัยในปี 2008 แสดงหลักฐานโน้มเอียงไปยังทฤษฎีที่เสนอขึ้นในปี 1980 ซึ่งมีอยู่ว่า ราวสี่พันล้านปีก่อน ซีกเหนือของดาวอังคารถูกพุ่งชนโดยวัตถุขนาดใหญ่ราวหนึ่งในสิบถึงสองในสามของดวงจันทร์ของโลก ถ้าทฤษฎีนี้เป็นจริงย่อมทำให้ซีกเหนือของดาวอังคารเป็นตำแหน่งของหลุมการพุ่งชนด้วยขนาดยาว 10,600 กิโลเมตร และกว้าง 8,500 กิโลเมตร หรือโดยคร่าว ๆ แล้วเท่ากับพื้นที่ของทวีปยุโรป เอเชีย และออสเตรเลียทั้งหมดรวมกัน มีขนาดใหญ่ยิ่งกว่าแอ่งไอต์เค็น-ขั้วใต้ของดวงจันทร์และเป็นหลุมตกกระทบที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ
ดาวอังคารมีรอยตำหนิของหลุมจากการพุ่งชนมากมาย เฉพาะที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 5 กิโลเมตรขึ้นไป พบว่ามีจำนวนรวมกว่า 43,000 แห่ง หลุมใหญ่ที่สุดที่มีการยืนยันแล้วคือแอ่งตกกระทบเฮลลาส ภูมิประเทศอัลเบโดจางมองเห็นได้ชัดเจนจากโลก จากการที่ดาวอังคารมีมวลน้อย ความน่าจะเป็นที่จะถูกพุ่งชนจากวัตถุต่าง ๆ จึงอยู่ราวครึ่งหนึ่งของโลก แต่ด้วยตำแหน่งของดาวอังคารซึ่งใกล้เคียงกับแถบดาวเคราะห์น้อย ฉะนั้นจึงมีโอกาสมากขึ้นที่จะโดนจู่โจมโดยวัตถุมากมายจากแถบดังกล่าว ดาวอังคารยังคล้ายว่าจะถูกพุ่งชนโดยดาวหางคาบสั้นอยู่บ่อยครั้งอีกด้วย อย่างเช่นกลุ่มที่อยู่ในวงโคจรของดาวพฤหัสบดี นอกเหนือจากนี้ หลุมอุกกาบาตที่พบบนดาวอังคารเมื่อเทียบกันแล้วยังน้อยกว่าที่พบบนดวงจันทร์ค่อนข้างมาก เพราะบรรยากาศของดาวอังคารสามารถปกป้องต้านทานต่ออุกกาบาตขนาดเล็กได้ หลุมอุกกาบาตบางแห่งมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่แสดงว่าพื้นบริเวณนั้นเปียกชื้นภายหลังจากที่อุกกาบาตพุ่งชนแล้ว
ภูเขาไฟรูปโล่โอลิมปัสมอนส์ (เมาท์โอลิมปัส) เป็นภูเขาไฟที่ดับแล้วในบริเวณธาร์ซิส พื้นที่ราบสูงกว้างใหญ่ซึ่งยังมีภูเขาไฟขนาดใหญ่อื่นอีกหลายลูก โอลิมปัสมอนส์มีความสูงโดยประมาณกว่าสามเท่าของความสูงของเขาเอเวอเรสต์ซึ่งเทียบกันแล้วสูงเพียง 8.8 กิโลเมตร ทำให้ภูเขาไฟลูกนี้เป็นเขาที่สูงที่สุดหรือสูงเป็นอันดับสองในระบบสุริยะขึ้นอยู่กับวิธีการวัดซึ่งแตกต่างกันออกไป ทำให้ได้ค่าตัวเลขตั้งแต่ 21 ถึง 27 กิโลเมตร
เวลส์มาริเนริส (เป็นรูปละตินของ "หุบเขามาริเนอร์" หรือรู้จักในชื่อ "อะกาธาดีมอน" ในแผนที่คลองเก่า) เป็นหุบเขาขนาดใหญ่ มีความยาวร่วม 4,000 กิโลเมตร และมีความลึกได้มากถึง 7 กิโลเมตร ความยาวของเวลส์มาริเนริสเทียบเท่ากับความยาวของทวีปยุโรปและทอดยาวกินระยะทางกว่าหนึ่งในห้าของเส้นรอบวงของดาวอังคาร หากเทียบกันแล้ว แกรนด์แคนยอนบนโลกมีความยาวเพียง 446 กิโลเมตร และมีความลึกเพียงเกือบ 2 กิโลเมตร เท่านั้น เวลส์มาริเนริสกำเนิดขึ้นจากการปูดนูนขึ้นของพื้นที่ธาร์ซิสจนเป็นสาเหตุให้เปลือกดาวเคราะห์ในพื้นที่เวลส์มาริเนริสแตกทลายออก มีการเสนอในปี 2012 ว่าเวลส์มาริเนริสไม่ได้เป็นเพียงแค่กราเบนแต่ยังเป็นขอบเขตระหว่างแผ่นเปลือกดาวที่ปรากฏการเคลื่อนตัวแบบเลื่อนผ่านกันกว่า 150 กิโลเมตร ทำให้ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์ที่อาจจะมีการวางตัวของแผ่นธรณีภาคเป็นสองแผ่น
ภาพจากเธมิสหรือระบบถ่ายภาพจากการปล่อยความร้อนซึ่งอยู่บนยาน 2001 มาร์สโอดิสซีของนาซา ได้เผยให้เห็นถึงปากทางเข้าถ้ำที่เป็นไปได้เจ็ดแห่งบริเวณด้านข้างของภูเขาไฟ มีการตั้งชื่อถ้ำเหล่านี้ตามชื่อของคนรักแต่ละคนของบรรดาผู้คนพบซึ่งเรียกรวม ๆ กันว่า "น้องสาวทั้งเจ็ด" ปากทางเข้าถ้ำมีความกว้างวัดได้ตั้งแต่ 100 ไปจนถึง 252 เมตร และเชื่อว่ามีความลึกอย่างน้อย 73 ถึง 96 เมตร เนื่องจากแสงไม่สามารถส่องลงถึงพื้นของเกือบทุกถ้ำ จึงเป็นไปได้ว่าตัวถ้ำอาจทอดยาวลึกเข้าไปมากกว่าค่าขั้นต่ำที่ประเมินไว้และอาจขยายกว้างออกใต้พื้นผิว มีเฉพาะ "เดนา" เท่านั้นที่เป็นข้อยกเว้นเพราะสามารถมองเห็นพื้นถ้ำและวัดความลึกได้เท่ากับ 130 เมตร ภายในถ้ำโพรงเหล่านี้น่าจะเป็นบริเวณที่ปลอดภัยจากอุกกาบาตขนาดเล็ก รังสีอัลตราไวโอเลต เปลวสุริยะ และอนุภาคพลังงานสูงต่าง ๆ ที่กระหน่ำชนพื้นผิวของดาวเคราะห์
ดาวอังคารสูญเสียแม็กนีโตสเฟียร์ไปเมื่อสี่พันล้านปีก่อน อาจเพราะการชนมากมายหลายครั้งโดยดาวเคราะห์น้อย ทำให้ลมสุริยะมีปฏิสัมพันธ์กระทบโดยตรงกับไอโอโนสเฟียร์ของดาวอังคาร ลดความหนาแน่นของบรรยากาศลงไปเรื่อย ๆ โดยปอกเปลื้องอะตอมจากบรรยากาศชั้นนอกให้หลุดลอยออกไป ทั้งมาร์สโกลบอลเซอร์เวเยอร์และมาร์สเอ็กซ์เพรสต่างก็ตรวจพบอนุภาคของบรรยากาศที่แตกตัวเป็นประจุลากเป็นหางยาวในห้วงอวกาศเบื้องหลังดาวอังคาร และการสูญเสียบรรยากาศไปนี้กำลังอยู่ในการศึกษาโดยยานเมเว็น เมื่อเทียบกับโลกแล้วบรรยากาศของดาวอังคารเบาบางกว่ามาก ความกดอากาศบนพื้นผิว ณ ปัจจุบันอยู่ในช่วงตั้งแต่น้อยสุดที่ 30 ปาสกาล (0.030 กิโลปาสกาล) บนยอดโอลิมปัสมอนส์ ไปจนถึง 1,155 ปาสกาล (1.155 กิโลปาสกาล) ในเฮลลาสเพลนิเชีย โดยมีความกดอากาศเฉลี่ยที่ระดับพื้นผิวเท่ากับ 600 ปาสกาล (0.60 กิโลปาสกาล) ความหนาแน่นบรรยากาศสูงสุดบนดาวอังคารมีค่าเทียบเท่ากับความดัน ณ จุดที่สูง 35 กิโลเมตร เหนือพื้นผิวโลก เป็นผลให้ความหนาแน่นบนพื้นผิวคิดเป็นเพียงร้อยละ 0.6 ของโลกเท่านั้น (101.3 กิโลปาสกาล) มีมาตราความสูงของบรรยากาศที่ประมาณ 10.8 กิโลเมตร ซึ่งสูงกว่าโลก (6 กิโลเมตร) เพราะความโน้มถ่วงที่พื้นผิวดาวอังคารมีค่าเพียงร้อยละ 38 ของโลก รวมถึงผลชดเชยจากทั้งการมีอุณหภูมิต่ำและน้ำหนักโมเลกุลสูงกว่าค่าเฉลี่ยร้อยละ 50 ของบรรยากาศดาวอังคาร
บรรยากาศของดาวอังคารประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ร้อยละ 96 อาร์กอนร้อยละ 1.93 และไนโตรเจนร้อยละ 1.89 ร่วมไปกับออกซิเจนและน้ำในปริมาณเล็กน้อย บรรยากาศมีฝุ่นค่อนข้างมากโดยเป็นอนุภาคขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1.5 ไมโครเมตร ซึ่งทำให้ท้องฟ้าของดาวอังคารดูเป็นสีน้ำตาลปนเหลืองเมื่อมองจากพื้นผิว
มีการตรวจพบมีเทนในบรรยากาศของดาวอังคารโดยมีเศษส่วนโมลที่ประมาณ 30 ส่วนในพันล้านส่วน พบปรากฏในการพลูมของแก๊สและภาวะการณ์แสดงไปในทางว่ามีการปลดปล่อยมีเทนออกมาจากแถบท้องที่เฉพาะบางแห่ง ในช่วงกลางฤดูร้อนของซีกเหนือ การพลูมหลักมีปริมาณมีเทนอยู่ถึง คาดการณ์ว่าแหล่งกำเนิดมีกำลังการปลดปล่อยราว 0.6 กิโลกรัมต่อวินาที ข้อมูลที่พบชี้ว่าน่าจะมีบริเวณท้องที่ที่เป็นแหล่งกำเนิดสองแห่ง ศูนย์กลางแห่งแรกอยู่ใกล้ และแห่งที่สองใกล้ ประมาณการว่าดาวอังคารจะต้องมีการผลิตมีเทนปริมาณ 270 ตันต่อปี
มีเทนสามารถอยู่ในบรรยากาศดาวอังคารได้เพียงเฉพาะช่วงเวลาจำกัดระยะหนึ่งเท่านั้นก่อนที่จะถูกทำลาย ประมาณว่ามีช่วงชีวิตยืนยาวได้ตั้งแต่ 0.6 ถึง 4 ปี การที่มีมีเทนดำรงอยู่ทั้ง ๆ ที่เป็นสารที่ช่วงชีวิตสั้นเช่นนี้จึงบ่งชี้ว่าจะต้องมีแหล่งผลิตแก๊สดังกล่าวที่ยังดำเนินกิจกรรมอยู่ในปัจจุบัน ทั้งกิจกรรมของภูเขาไฟ การพุ่งชนโดยดาวหาง และการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตพวกจุลชีพที่สร้างมีเทนล้วนเป็นแหล่งผลิตที่เป็นไปได้ นอกจากนั้นมีเทนยังสามารถผลิตขึ้นได้โดยกระบวนการที่ไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตเรียกว่า "เซอร์เพนทิไนเซชัน" (การสร้างเซอร์เพนทีน) โดยอาศัยน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และแร่โอลิวีนซึ่งต่างก็พบได้ทั่วไปบนดาวอังคาร
ยานสำรวจภาคพื้น"คิวริออซิตี" ซึ่งลงจอดบนดาวอังคารในเดือนสิงหาคม 2012 นั้นมีความสามารถตรวจวัดเพื่อแยกแยะความแตกต่างของมีเทนที่ได้จากแหล่งกำเนิดที่ต่างกันออกจากกันได้ แต่แม้ว่าการปฏิบัติภารกิจนั้นจะชี้ขาดได้จริง ๆ ว่าสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กจิ๋วบนดาวอังคารเป็นผู้ให้กำเนิดมีเทน บรรดาสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นก็เหมือนจะอยู่ต่ำลงไปเบื้องล่างพื้นผิวนอกเหนือขอบเขตที่ตัวยานจะเข้าถึง การตรวจวัดแรกโดยเครื่องวัดสเปกตรัมเลเซอร์แบบปรับได้แสดงข้อมูลว่ามีมีเทนต่ำกว่า 5 ส่วนในพันล้านส่วน ณ จุดที่ทำการตรวจวัดในตำแหน่งลงจอด เมื่อ 19 กันยายน 2013 นักวิทยาศาสตร์นาซาได้เผยผลการศึกษาคืบหน้าจากการตรวจวัดโดย"คิวริออซิตี" ว่า ตรวจไม่พบมีเทนในบรรยากาศในค่าการตรวจวัด สอดคล้องกับขอบเขตบนที่เฉพาะ 1.3 ส่วนในพันล้านส่วนปริมาตร (ขอบเขตความเชื่อมั่นร้อยละ 95) และจากผลลัพธ์นี้ทำให้สรุปได้ว่าความเป็นไปได้ที่จะมีกิจกรรมของจุลชีพที่สร้างมีเทนบนดาวอังคารในปัจจุบันนั้นลดลง
ยานมาร์สออร์บิเตอร์มิชชันของอินเดียมีปฏิบัติการค้นหามีเทนในบรรยากาศ ในขณะที่เอ็กโซมาร์สเทรซแก๊สออร์บิเตอร์มีกำหนดการส่งขึ้นปฏิบัติการในปี 2016 เพื่อศีกษาให้เข้าใจมากยิ่งขึ้นเกี่ยวกับมีเทนรวมไปถึงสารที่ได้จากการแตกสลายของมีเทนด้วย เช่น ฟอร์มาลดีไฮด์ และเมทานอล
ในวันที่ 16 ธันวาคม 2014 นาซารายงานว่ายานโรเวอร์"คิวริออซิตี" ตรวจพบปริมาณมีเทนในบรรยากาศดาวอังคารเพิ่มสูงนับสิบเท่าในเฉพาะถิ่น ตัวอย่างที่ตรวจวัดได้ถือว่าสูงเป็นสิบเท่าในรอบ 20 เดือน แสดงการเพิ่มขึ้นในปลายปี 2013 และต้นปี 2014 โดยมีค่าเฉลี่ยของมีเทนเป็น 7 ส่วนในพันล้านส่วนในบรรยากาศ ซึ่งในเวลาก่อนหน้าหรือหลังจากนั้นค่าเฉลี่ยที่วัดได้อยู่ประมาณหนึ่งในสิบของค่าดังกล่าว
มีการตรวจพบแอมโมเนียอย่างคร่าว ๆ บนดาวอังคารแล้วเช่นกันโดยยานดาวเทียมมาร์สเอ็กซ์เพรส แต่ด้วยความที่เป็นสารช่วงชีวิตค่อนข้างสั้นจึงไม่เป็นที่แน่ชัดว่าถูกสร้างมาจากอะไร แอมโมเนียนั้นไม่เสถียรในบรรยากาศของดาวอังคาร และจะแตกสลายไปในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง แหล่งกำเนิดหนึ่งที่น่าจะเป็นไปได้คือกิจกรรมของภูเขาไฟ
ในปี 1994 ยานอวกาศมาร์สเอ็กซ์เพรสขององค์การอวกาศยุโรปพบการเรืองแสงอัลตราไวโอเลตจาก "ร่มแม่เหล็ก" ในซีกใต้ของดาวอังคารไม่มีสนามแม่เหล็กที่ครอบคลุมทั้งดาวซึ่งจะนำทางอนุภาคมีประจุทั้งหลายให้เข้าสู่ชั้นบรรยากาศ ดาวอังคารมีสนามแม่เหล็กรูปร่มอยู่หลายแห่ง ส่วนใหญ่อยู่ในซีกใต้ซึ่งเป็นซากหลงเหลือของสนามแม่เหล็กซึ่งเคยครอบคลุมทั้งดาวแต่เสื่อมสลายไปเมื่อหลายพันล้านปีก่อน
ในปลายเดือนธันวาคม 2014 ยานอวกาศเมเว็นของนาซาตรวจพบหลักฐานการแผ่กระจายเป็นบริเวณกว้างของออโรราบนซีกเหนือของดาวอังคาร และทอดต่ำลงถึงละติจูดประมาณ 20–30 องศาเหนือจากเส้นศูนย์สูตรดาวอังคาร ในขณะที่ออโรราบนโลกอยู่ในระยะสูง 100 ถึง 500 กิโลเมตรจากผิวดาวเคราะห์ แต่บนดาวอังคารอนุภาคที่ก่อให้เกิดออโรราทะลวงผ่านบรรยากาศของดาวเคราะห์เข้ามาสร้างออโรราขึ้นในระดับต่ำกว่า 100 กิโลเมตรจากพื้นผิว สนามแม่เหล็กในลมสุริยะโอบคลุมดาวอังคาร เข้าสู่บรรยากาศ และอนุภาคมีประจุตามเส้นแรงแม่เหล็กของลมสุริยะเข้าสู่บรรยากาศทำให้ออโรราเกิดขึ้นภายนอกร่มแม่เหล็ก
วันที่ 18 มีนาคม 2015 นาซารายงานการตรวจพบออโรราที่ยังไม่เป็นที่เข้าใจแน่ชัด และเมฆฝุ่นที่ยังไมมีคำอธิบายภายในบรรยากาศของดาวอังคาร
จากดาวเคราะห์ทั้งหมดในระบบสุริยะ ฤดูกาลของดาวอังคารมีความใกล้เคียงกับโลกมากที่สุด เนื่องจากความเอียงของแกนการหมุนของดาวทั้งสองที่คล้ายคลึงกัน ระยะเวลาของแต่ละฤดูกาลบนดาวอังคารมีความยาวประมาณสองเท่าของฤดูกาลบนโลก เพราะดาวอังคารมีระยะห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่า หนึ่งปีของดาวอังคารจึงยาวนานร่วมสองปีของโลก อุณหภูมิบนพื้นผิวดาวอังคารผันแปรจากค่าต่ำสุดที่ประมาณ –143 องศาเซลเซียส ที่บริเวณแผ่นขั้วดาวในฤดูหนาว จนถึงค่าสูงสุดที่ประมาณ 35 องศาเซลเซียส (95 องศาฟาเรนไฮต์) ในฤดูร้อนบริเวณศูนย์สูตร การมีช่วงอุณหภูมิที่กว้างมากเช่นนี้เป็นผลมาจากบรรยากาศที่เบาบางจนไม่สามารถกักเก็บความร้อนจากดวงอาทิตย์ได้มากนัก การมีความกดอากาศที่ต่ำ และการที่มีค่าความเฉื่อยความร้อนต่ำของดินบนดาวอังคาร ระยะห่างจากดวงอาทิตย์ถึงดาวอังคารคิดเป็น 1.52 เท่าเมื่อเทียบกับระยะจากดวงอาทิตย์ถึงโลก ทำให้ดาวอังคารได้รับแสงจากดวงอาทิตย์เพียงร้อยละ 43 ต่อหน่วยพื้นที่เมื่อเทียบกับโลก
ถ้าหากดาวอังคารมีวงโคจรแบบเดียวกับโลกแต่ละฤดูกาลของดาวอังคารก็จะเหมือนโลก แต่การมีความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรมากกว่าเมื่อเปรียบกันนี้เองที่ส่งผลกระทบสำคัญ ดาวอังคารเข้าใกล้จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดเมื่อเป็นฤดูร้อนในดาวซีกใต้ซึ่งดาวซีกเหนือก็จะเป็นฤดูหนาว และเข้าใกล้จุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุดเมื่อเป็นฤดูหนาวในดาวซีกใต้ซึ่งดาวซีกเหนือก็จะเป็นฤดูร้อน ผลที่ตามมาคือฤดูกาลในดาวซีกใต้จะรุนแรงมากกว่าและฤดูกาลในดาวซีกเหนือจะอ่อนเบากว่าอีกซีกหนึ่งในแต่ละกรณี อุณหภูมิในฤดูร้อนของดาวซีกใต้สามารถอุ่นได้มากกว่าอุณหภูมิในฤดูร้อนของดาวซีกเหนือได้ถึง 30 เคลวิน (30 องศาเซลเซียส หรือ 54 องศาฟาเรนไฮต์)
ดาวอังคารมีพายุฝุ่นที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ มีได้ตั้งแต่พายุในพื้นที่เล็ก ๆ ไปจนถึงพายุขนาดมโหฬารที่ครอบคลุมทั่วทั้งดาวเคราะห์ พายุเหล่านี้มักจะเกิดขึ้นเมื่อดาวอังคารเข้าใกล้ดวงอาทิตย์และแสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิบนดาว
ดาวอังคารไกลจากดวงอาทิตย์ด้วยระยะทางเฉลี่ย 230 ล้านกิโลเมตรโดยประมาณ (1.5 หน่วยดาราศาสตร์) และมีคาบการโคจรเท่ากับ 687 วันของโลก หนึ่งวันสุริยะบนดาวอังคารยาวกว่าหนึ่งวันของโลกเพียงเล็กน้อยคือเท่ากับ 24 ชั่วโมง 39 นาที 35.244 วินาที หนึ่งปีของดาวอังคารเท่ากับ 1.8809 ปีของโลก หรือ 1 ปี 320 วัน กับอีก 18.2 ชั่วโมง
ดาวอังคารมีความเอียงของแกนเท่ากับ 25.19 องศา สัมพัทธ์กับระนาบการโคจรซึ่งคล้ายคลึงกับความเอียงของแกนโลก เป็นผลให้ดาวอังคารมีฤดูกาลคล้ายโลกแม้ว่าแต่ละฤดูบนดาวอังคารจะยาวเกือบสองเท่าเพราะคาบการโคจรที่ยาวนานกว่า ณ ปัจจุบัน ขั้วเหนือของดาวอังคารมีการวางตัวชี้ไปใกล้กับดาวฤกษ์เดเนบ ดาวอังคารผ่านจุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุดในเดือนกุมภาพันธ์ 2012 ผ่านจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดในเดือนมกราคม 2013 จุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุดถัดไปคือมกราคม 2014 และจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดถัดไปคือธันวาคมปีเดียวกัน
ดาวอังคารมีความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรค่อนข้างเด่นชัดที่ประมาณ 0.09 เมื่อเทียบกับดาวเคราะห์อื่นอีกเจ็ดดวงในระบบสุริยะแล้ว มีเพียงดาวพุธเท่านั้นที่มีความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรมากกว่า เป็นที่ทราบว่าในอดีตดาวอังคารมีวงโคจรที่กลมมากกว่าในปัจจุบันมาก ที่ขณะหนึ่งเมื่อ 1.35 ล้านปีก่อน ดาวอังคารมีความเยื้องศูนย์กลางที่ราว 0.002 ซึ่งน้อยยิ่งกว่าโลกในตอนนี้ วัฏจักรความเยื้องศูนย์กลางของดาวอังคารอยู่ที่ 96,000 ปีโลก เทียบกับโลกที่วัฏจักรเดียวกันอยู่ที่ 100,000 ปี ดาวอังคารยังมีวัฏจักรความเยื้องศูนย์กลางอีกแบบหนึ่งที่กินเวลายาวนานกว่านี้ด้วยคาบราว 2.2 ล้านปีโลก ซึ่งมีความสำคัญบดบังกราฟวัฏจักร 96,000 ปี นับจาก 35,000 ปีที่ผ่านมา วงโคจรของดาวอังคารมีความเยื้องศูนย์กลางเพิ่มขึ้นทีละน้อยเพราะผลกระทบเชิงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ระยะที่ใกล้ที่สุดระหว่างโลกและดาวอังคารจะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปต่อเนื่องตลอดระยะเวลา 25,000 ปีข้างหน้า
ตามความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับความสามารถอยู่อาศัยได้ของดาวเคราะห์ หรือความสามารถที่โลกใดโลกหนึ่งมีภาวะการณ์ทางสิ่งแวดล้อมเจริญพัฒนาขึ้นจนชีวิตอุบัติขึ้นได้ เช่นดาวเคราะห์ที่เอื้อให้มีน้ำของเหลวอยู่บนพื้นผิว เกณฑ์ที่ต้องการโดยมากคือวงโคจรของดาวเคราะห์นั้นต้องอยู่ในเขตอาศัยได้ ซึ่งในกรณีของดวงอาทิตย์คือตั้งแต่แถบพ้นจากดาวศุกร์ออกไปจนถึงระยะประมาณกึ่งแกนเอกของดาวอังคาร ระหว่างการเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ดาวอังคารได้ล่วงเข้าไปในเขตนี้ แต่ด้วยความที่มีบรรยากาศเบาบาง ความกดอากาศที่ต่ำเป็นอุปสรรคไม่ให้น้ำของเหลวปกคลุมภูมิประเทศเป็นบริเวณกว้างได้ในช่วงระยะเวลาที่นานพอ การไหลของน้ำของเหลวในอดีตเป็นเครื่องพิสูจน์ว่าดาวอังคารมีศักยภาพสำหรับการอยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิต หลักฐานที่พบใหม่บางประการชี้ว่าน้ำบนผิวดาวอังคารนั้นอาจจะเค็มเกินไปและมีความเป็นกรดมากเกินไปที่จะค้ำจุนสิ่งมีชีวิตโลกโดยทั่ว ๆ ไปได้
การปราศจากสนามแม่เหล็กและบรรยากาศที่เบาบางอย่างยิ่งของดาวอังคารเป็นปัญหาที่ท้าทาย ดาวเคราะห์เองมีการถ่ายเทความร้อนผ่านพื้นผิวที่ต่ำ การป้องกันอันย่ำแย่ต่อการกระหน่ำโจมตีของลมสุริยะ และความอ่อนด้อยของความดันบรรยากาศจนไม่อาจกดน้ำลงมาให้อยู่ในสภาพของเหลวเพราะน้ำแข็งจะระเหิดไปจนหมด กล่าวได้ว่าดาวอังคารนั้นจวนที่จะตายหรือไม่ก็อาจจะตายไปแล้วในทางธรณีวิทยา เพราะการจบสิ้นลงของกิจกรรมภูเขาไฟย่อมเป็นที่ประจักษ์ว่าการแปรใช้ใหม่ของแร่ธาตุตลอดจนองค์ประกอบเคมีต่าง ๆ ระหว่างพื้นผิวกับบริเวณภายในดาวเคราะห์นั้นย่อมต้องจบสิ้นไปด้วย
หลักฐานบ่งบอกว่าครั้งหนึ่งดาวอังคารมีความเป็นมิตรต่อการอยู่อาศัยมากกว่าในทุกวันนี้อย่างมาก แต่จะมีสิ่งมีชีวิตดำรงสืบต่อมาบนดาวหรือไม่นั้นยังไม่มีคำตอบที่แน่ชัด ยานสำรวจไวกิงในช่วงกลางคริสต์ทศวรรษ 1970 มีอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจหาจุลินทรีย์ต่าง ๆ ในดินของดาวอังคาร ณ บริเวณลงจอดของแต่ละยานและต่างก็ได้ผลลัพธ์เป็นบวก รวมถึงการผลิต CO เพิ่มขึ้นเป็นครั้งคราวเมื่อได้สัมผัสกับน้ำและสารอาหาร สัญญาณของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ภายหลังได้ถูกโต้แย้งโดยนักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่ง ผลที่ได้ยังคงเป็นที่อภิปรายถกเถียงเรื่อยมา โดยนักวิทยาศาสตร์นาซา กิลเบิร์ต เลวิน ยืนยันว่ายานไวกิงอาจตรวจพบสิ่งมีชีวิต การวิเคราะห์ข้อมูลจากไวกิงซ้ำอีกครั้งภายใต้องค์ความรู้ใหม่ในปัจจุบันเกี่ยวกับอิกซ์ตรีโมไฟล์รูปแบบต่าง ๆ ชี้ว่า การทดสอบโดยไวกิงไม่ได้ละเอียดซับซ้อนเพียงพอที่จะตรวจหารูปแบบสิ่งมีชีวิตเช่นนี้ ตัวการทดสอบเองยังอาจแม้กระทั่งฆ่าสิ่งมีชีวิต (ตามสมมติฐาน) เหล่านั้นไปเสียด้วยซ้ำ ปฏิบัติการทดสอบโดยยานส่วนลงจอด "ฟีนิกซ์" แสดงให้ทราบว่าดินมีค่าพีเอชเป็นด่าง ประกอบด้วยแมกนีเซียม โซเดียม โพแทสเซียม และคลอไรด์ ลำพังสารอาหารในดินอาจสามารถเกื้อหนุนสิ่งมีชีวิตได้ แต่สิ่งมีชีวิตยังคงต้องได้รับการป้องกันจากแสงอัลตราไวโอเลตอย่างเข้ม การวิเคราะห์ล่าสุดเกี่ยวกับอุกกาบาตดาวอังคาร EETA79001 พบ ClO 0.6 ส่วนในล้านส่วน ClO 1.4 ส่วนในล้านส่วน และ NO 16 ส่วนในล้านส่วน เกือบทั้งหมดน่าจะมีที่มาจากดาวอังคารโดยตรง การมี ClO ชี้ว่าน่าจะมีสารประกอบออกซิเจน-คลอรีนที่สภาพออกซิไดซ์สูงชนิดอื่น อย่างเช่น ClO หรือ ClO ด้วย ทั้งสองถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยาออกซิเดชันของคลอรีนโดยรังสียูวี และการแตกสลาย ClO ด้วยรังสีเอกซ์ ด้วยเหตุนี้รูปแบบอินทรีย์หรือสิ่งมีชีวิตที่ทนทานและได้รับการป้องกันอย่างดี (ใต้พื้นผิว) เท่านั้นที่อาจอยู่รอดมาได้Kounaves, S. P. et al., Evidence of martian perchlorate, chlorate, and nitrate in Mars meteorite EETA79001: implications for oxidants and organics, Icarus, 2014, 229, 206-213, ,
นอกเหนือจากนี้ การวิเคราะห์ใหม่จากข้อมูลของห้องปฏิบัติการเคมีเปียกของยาน "ฟีนิกซ์" แสดงให้เห็นว่า Ca(ClO) ในดินตรงที่ยาน "ฟีนิกซ์" อยู่ไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์กับน้ำของเหลวไม่ว่าจะรูปแบบใด ๆ อาจเป็นระยะเวลายาวนานถึง 600 ล้านปี เพราะหากว่ามีน้ำ สาร Ca(ClO) ซึ่งละลายได้ดีมากเมื่อได้สัมผัสกับน้ำของเหลวย่อมเปลี่ยนไปเกิดเฉพาะ CaSO ขึ้น ผลที่ได้จึงเป็นเครื่องบ่งบอกถึงการมีสภาพแวดล้อมแห้งแล้งอย่างสาหัสโดยมีน้ำเล็กน้อยหรือไม่มีเลยที่จะมาปฏิสัมพันธ์ด้วย
นักวิทยาศาสตร์บางส่วนเสนอว่าเม็ดคาร์บอเนตเล็ก ๆ ที่พบในอุกกาบาตเอแอลเอช 84001 ซึ่งคาดว่ามาจากดาวอังคารนั้น อาจเป็นซากจุลชีพดึกดำบรรพ์ที่หลงเหลืออยู่บนดาวอังคารเมื่อก้อนอุกกาบาตระเบิดกระเด็นออกมาจากพื้นผิวดาวอังคารโดยการพุ่งชนของดาวตกเมื่อราว 15 ล้านปีก่อน ข้อเสนอดังกล่าวยังคงเป็นที่เคลือบแคลง และยังมีการเสนอว่ารูปแบบที่เห็นอาจมีต้นกำเนิดแบบอนินทรีย์ที่พิเศษออกไปก็ได้
การตรวจพบทั้งมีเทนและฟอร์มาลดีไฮด์ปริมาณเล็กน้อยโดยยานโคจรรอบดาวอังคารล้วนถูกนำไปอ้างเป็นหลักฐานสนับสนุนความเป็นไปได้ว่ามีสิ่งมีชีวิต เนื่องจากสารประกอบเคมีทั้งคู่จะแตกสลายไปอย่างรวดเร็วในบรรยากาศของดาวอังคาร ในอีกทางหนึ่ง สารเหล่านี้อาจมีการผลิตทดแทนโดยภูเขาไฟหรือกระบวนการทางธรณีวิทยาอื่น เช่น การสร้างเซอร์เพนทีน
อุลกมณีซึ่งเกิดขึ้นภายหลังดาวตกพุ่งชนในกรณีของโลกนั้นสามารถเก็บร่องรอยของสิ่งมีชีวิตไว้ได้ มีรายงานการพบอุลกมณีบนพื้นผิวของหลุมอุกกาบาตบนดาวอังคาร ในทำนองเดียวกัน แก้วที่พบในหลุมอุกกาบาตบนดาวอังคารก็อาจเก็บรักษาร่องรองบางอย่างของสิ่งมีชีวิตไว้หากสถานที่นั้นเคยมีสิ่งมีชีวิตอยู่
ศูนย์การบินและอวกาศเยอรมันค้นพบว่าไลเคนของโลกสามารถอยู่รอดได้ในสภาพแวดล้อมดาวอังคารจำลอง ทำให้การมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารเป็นเรื่องน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้นตามที่นักวิจัย ทิลแมน สปอห์น รายงาน เงื่อนไขด้านอุณหภูมิ ความกดอากาศ แร่ธาตุ และแสงจำลองขึ้นโดยอาศัยข้อมูลจากยานสำรวจดาวอังคาร เครื่องมือตรวจวัดสภาพแวดล้อมหรือเรมส์ออกแบบมาเพื่อสืบค้นเบาะแสใหม่ ๆ เกี่ยวกับคุณลักษณะการหมุนเวียนทั่วไปบนดาวอังคาร ระบบสภาพอากาศในระดับเล็ก วัฏจักรอุทกวิทยาท้องถิ่น ศักยภาพในการทำลายล้างของรังสียูวี และความสามารถอยู่อาศัยได้ใต้พื้นผิวซึ่งวางอยู่บนปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นดินกับชั้นบรรยากาศ เครื่องมือนี้เป็นส่วนหนึ่งของยาน "คิวริออซิตี" (ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์บนดาวอังคาร) ซึ่งลงจอดบนดาวอังคารเมื่อเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2012 ที่ผ่านมา
นอกเหนือจากการสังเกตจากโลก ส่วนหนึ่งของข้อมูลใหม่ ๆ ของดาวอังคารได้มาจากยานสำรวจเจ็ดลำที่ยังอยู่ในระหว่างการปฏิบัติภารกิจทั้งบนและโคจรเหนือดาวอังคาร ประกอบด้วยยานในวงโคจรห้าลำและยานสำรวจภาคพื้นอีกสองลำ ได้แก่ "2001 มาร์สโอดิสซี" "มาร์สเอ็กซ์เพรส" "มาร์สรีคอนเนสเซนซ์ออร์บิเตอร์" "เมเว็น" "มาร์สออร์บิเตอร์มิชชัน" "ออปพอร์ทูนิตี" และ"คิวริออซิตี"
มีการส่งยานอวกาศไร้คนบังคับหลายสิบลำทั้งที่โคจรรอบ ยานส่วนลงจอด และยานสำรวจภาคพื้นไปยังดาวอังคารโดยสหภาพโซเวียต สหรัฐอเมริกา ยุโรป และ อินเดีย เพื่อศึกษาสภาพพื้นผิวของดาว ภูมิอากาศ และธรณีวิทยา สาธารณะชนทั่วไปสามารถขอดูรูปภาพดาวอังคารได้ผ่านทางโปรแกรมไฮวิช
ยาน"คิวริออซิตี" จากภารกิจมาร์สไซแอนซ์แลบอราทอรีซึ่งส่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อ 26 พฤศจิกายน 2011 และไปถึงดาวอังคารวันที่ 6 สิงหาคม 2012 ตามเวลาสากล มีขนาดใหญ่และล้ำหน้ามากยิ่งกว่ายานสำรวจภาคพื้นดาวอังคารรุ่นก่อน โดยสามารถเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว ต่อชั่วโมง การทดลองประกอบด้วยการใช้เลเซอร์ทดสอบตัวอย่างเพื่อหาองค์ประกอบทางเคมี สามารถประเมินสรุปหินต่าง ๆ ที่พบว่ามีองค์ประกอบอย่างไรได้ที่ระยะห่าง วันที่ 10 กุมภาพันธ์ 2013 ยาน"คิวริออซิตี" ได้มีการเก็บตัวอย่างหินส่วนลึกซึ่งถือเป็นการเจาะศึกษาตัวอย่างหินบนดาวเคราะห์ดวงอื่นเป็นครั้งแรกโดยการเจาะด้วยสว่านบนยาน
วันที่ 24 กันยายน 2014 ยาน"มาร์สออร์บิเตอร์มิชชัน" (มงคลยาน หรือ เอ็มโอเอ็ม) ซึ่งส่งขึ้นสู่อวกาศโดยองค์การวิจัยอวกาศอินเดียได้เข้าสู่วงโคจรดาวอังคาร โครงการเริ่มส่งยานจากโลกเมื่อ 5 พฤศจิกายน 2013 โดยมีเป้าหมายเพื่อศึกษาวิเคราะห์บรรยากาศและลักษณะภูมิประเทศของดาวอังคาร ยานมาร์สออร์บิเตอร์มิชชันใช้วงโคจรส่งเฮาห์แมนน์เพื่อหลุดออกจากอิทธิพลโน้มถ่วงของโลก และเหวี่ยงไปสู่เส้นทางยาวไกลเก้าเดือนสู่ดาวอังคาร ภารกิจนี้เป็นภารกิจเดินทางสู่ดาวเคราะห์อื่นโดยเอเชียที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรก
องค์การอวกาศยุโรปโดยความร่วมมือกับรอสคอสมอสส่งเอ็กโซมาร์สเทรซแก๊สออร์บิเตอร์กับยานส่วนลงจอด"สเกียปปาเรลลี" เมื่อวันที่ 14 มีนาคม 2016 เทรซแก๊สออร์บิเตอร์เข้าวงโคจรของดาวอังคารได้สำเร็จเมื่อวันที่ 19 ตุลาคม 2016 ทว่า "สเกียปปาเรลลี" ชนระหว่างพยายามลงจอด
ส่วนลงจอด "อินไซต์" ของนาซามีกำหนดปล่อยในเดือนพฤษภาคม 2018 ร่วมกับคิวบ์แซตมาร์ซีโอแฝดซึ่งจะบินผ่านดาวอังคารและให้รีเลย์การวัดและส่งข้อมูลทางไกลสำหรับการลงจอด คาดว่าภารกิจจะไปถึงดาวอังคารในเดือนพฤศจิกายน 2018 นาซามีแผนปล่อยยานสำรวจชีวดาราศาสตร์ มาร์ส 2020 ในเดือนกรกฎาคมหรือสิงหาคม 2020
องค์การอวกาศยุโรปจะปล่อยยานสำรวจเอ็กโซมาร์สและแพลตฟอร์มพื้นผิวในเดือนกรกฎาคม 2020
ยานโคจรมาร์สโฮปของสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์มีกำหนดการส่งในปี 2020 ซึ่งจะไปถึงวงโคจรของดาวอังคารในปี 2021 ยานจะทำการศึกษาบรรยากาศทั่วทั้งหมดของดาวอังคาร
มีการเสนอแผนปฏิบัติการส่งมนุษย์สู่ดาวอังคารหลายต่อหลายครั้งตลอดคริสต์ศตวรรษที่ 20 จนย่างเข้าคริสต์ศตวรรษที่ 21 แต่ยังไม่มีแผนใดที่ดำเนินการจริงอย่างเร็วที่สุดก่อนคริสต์ทศวรรษ 2020 อีลอน มัสก์ ผู้ก่อตั้งสเปซเอ็กซ์ เสนอแผนในเดือนกันยายน 2016 อย่างมองโลกในแง่ดีว่าจะส่งนักท่องเที่ยวอวกาศไปดาวอังคารในปี 2024 โดยมีมูลค่าการพัฒนาที่ประเมินไว้ 10,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ในเดือนตุลาคม 2016 ประธานาธิบดี บารัก โอบามา รื้อฟื้นนโยบายของสหรัฐในการมุ่งเป้าหมายส่งมนุษย์ไปดาวอังคารในคริสต์ทศวรรษ 2030 และใช้สถานีอวกาศนานาชาติเป็นที่พัฒนาเทคโนโลยีเพื่อการนี้
ด้วยการที่มีทั้งยานอวกาศในวงโคจร ยานส่วนลงจอด และยานสำรวจภาคพื้นมากมายหลายลำ ทำให้การศึกษาดาราศาสตร์จากดาวอังคารในปัจจุบันเป็นเรื่องที่เป็นไปได้ แม้ว่าดาวบริวารโฟบอสของดาวอังคารจะปรากฏให้เห็นด้วยขนาดเชิงมุมประมาณหนึ่งในสามของดวงจันทร์เต็มดวงที่มองเห็นจากโลก แต่สำหรับดาวบริวารดีมอสแล้วกลับปรากฏคล้ายกับดาวทั่วไปมากน้อยแล้วแต่กรณีและมองเห็นสว่างกว่าดาวศุกร์เมื่อมองจากโลกเพียงเล็กน้อย
มีปรากฏการณ์หลายอย่างที่รู้จักกันบนโลกซึ่งสังเกตพบบนดาวอังคาร เช่น ดาวตก และออโรรา ปรากฏการณ์โลกเคลื่อนผ่านหน้าดวงอาทิตย์มองเห็นจากดาวอังคารจะเกิดขึ้นในวันที่ 10 พฤศจิกายน 2084 นอกจากนั้นยังมีการเคลื่อนผ่านโดยดาวพุธ การเคลื่อนผ่านโดยดาวศุกร์ ตลอดจนดาวบริวารโฟบอสและดีมอสซึ่งมีขนาดเชิงมุมค่อนข้างเล็กทำให้อย่างมากที่สุดเกิดเป็น "สุริยุปราคา" บางส่วนเมื่อดาวทั้งสองเคลื่อนผ่าน (ดู การเคลื่อนผ่านของดีมอสจากดาวอังคาร)
วันที่ 19 ตุลาคม 2014 ดาวหางไซดิงสปริงผ่านเฉียดใกล้ดาวอังคารอย่างมาก จนโคม่าอาจครอบคลุมดาวอังคาร
เนื่องจากความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรดาวอังคาร เมื่อดาวอังคารอยู่ในตำแหน่งตรงข้ามกับดวงอาทิตย์จะมีความส่องสว่างปรากฏได้ตั้งแต่ −2.91 จนถึง −1.4 ความสว่างน้อยที่สุดของดาวอังคารคือ +1.6 เกิดขึ้นเมื่อดาวอยู่ด้านเดียวกันกับดวงอาทิตย์ ดาวอังคารมักปรากฏชัดว่ามีสีเหลือง สีส้ม หรือสีแดง แต่สีตามจริงของดาวอังคารนั้นใกล้เคียงกับสีของบัตเตอร์สกอตช์ สีแดงที่มองเห็นนั้นเป็นเพียงฝุ่นในบรรยากาศของดาวเคราะห์ ยานสำรวจภาคพื้น"สปิริต" ของนาซาได้ทำการถ่ายภาพภูมิทัศน์โคลนสีเขียวอมน้ำตาลร่วมกับหินสีน้ำเงินปนเทาและหย่อมทรายสีแดงจาง ๆ เอาไว้ ขณะที่อยู่ห่างออกไปจากโลกมากที่สุด จะมีระยะทางมากกว่าตอนที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดมากกว่าเจ็ดเท่า เมื่อถึงตำแหน่งที่ไม่เหมาะสมสำหรับการชม ดาวอังคารก็จะถูกบดบังโดยความเจิดจ้าของดวงอาทิตย์ได้เป็นเวลานานกว่าหนึ่งเดือน สำหรับเวลาที่เหมาะสมที่สุดในการชมเกิดขึ้นทุก ๆ ช่วง 15 ถึง 17 ปี และมักเกิดขึ้นระหว่างปลายเดือนกรกฎาคมถึงปลายเดือนกันยายน เป็นจุดที่สามารถมองเห็นรายละเอียดพื้นผิวดาวอังคารได้ค่อนข้างมากด้วยกล้องโทรทรรศน์ สำหรับส่วนที่สังเกตเห็นได้ง่ายแม้ว่าจะใช้กล้องกำลังขยายต่ำคือแผ่นน้ำแข็งขั้วดาว
เมื่อดาวอังคารเข้ามายังตำแหน่งตรงข้ามดวงอาทิตย์ ก็จะเริ่มช่วงเวลาแห่งการเคลื่อนถอยหลัง หมายความว่าดาวอังคารจะมองเห็นเสมือนเคลื่อนที่ย้อนทางกลับหลังในลักษณะเป็นวงเมื่อเทียบดาวฤกษ์พื้นหลังต่าง ๆ ระยะเวลาของการเคลื่อนถอยหลังนี้ยาวได้จนถึงราว 72 วัน และดาวอังคารจะมีความสว่างเพิ่มขึ้นสูงสุดท่ามกลางการเคลื่อนที่ดังกล่าว
ณ จุดที่เส้นลองจิจูดของดาวอังคารอยู่ในตำแหน่ง 180 องศาจากตำแหน่งของดวงอาทิตย์เมื่อโลกเป็นศูนย์กลางนั้นเรียกว่าตำแหน่งตรงข้าม ซึ่งเป็นเวลาที่ใกล้เคียงกับจุดที่เข้ามาใกล้โลกมากที่สุด เวลาการเกิดของตำแหน่งตรงข้าม
สามารถห่างจากจุดเข้ามาใกล้โลกมากที่สุดได้มากถึง 8.5 วัน ระยะทางเข้าใกล้โลกมากที่สุดผันแปรได้ตั้งแต่ประมาณ 54 ถึง 103 ล้านกิโลเมตรขึ้นอยู่กับความรีของวงโคจรดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้ขนาดเชิงมุมผันแปรแตกต่างกัน ดาวอังคารอยู่ในตำแหน่งตรงข้ามเมื่อวันที่ 8 เมษายน 2014 ด้วยระยะทางประมาณ 93 ล้านกิโลเมตร การเข้าสู่ตำแหน่งตรงข้ามครั้งถัดไปของดาวอังคารเกิดล่าสุดในวันที่ 22 พฤษภาคม 2016 ด้วยระยะทาง 76 ล้านกิโลเมตร ระยะเวลาเฉลี่ยระหว่างการเข้าสู่ตำแหน่งตรงข้ามของดาวอังคารแต่ละครั้งหรือคาบซินอดิกคือ 780 วัน โดยจำนวนวันที่เกิดจริงอาจยาวนานจาก 764 ถึง 812 วัน
ดาวอังคารเข้าใกล้โลกมากที่สุดและมีความสว่างปรากฏสูงที่สุดในรอบเกือบ 60,000 ปี ด้วยระยะทาง (, ) และมีความส่องสว่าง −2.88 เมื่อวันที่ 27 สิงหาคม 2003 เวลา 9:51:13 ตามเวลาสากล การเกิดครั้งนี้ห่างจากตำแหน่งตรงข้ามของดาวอังคารหนึ่งวัน และประมาณสามวันจากจุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ทำให้มองเห็นจากโลกได้ง่ายเป็นพิเศษ การเข้าใกล้มากสุดก่อนหน้านี้คาดว่าเกิดขึ้นในวันที่ 12 กันยายน 57,617 ปีก่อนคริสต์ศักราช ครั้งต่อไปจะเกิดขึ้นในปี 2287 การเข้าใกล้เป็นประวัติการณ์นี้จัดว่าใกล้กว่าการเข้าใกล้มากที่สุดร่วมสมัยอื่นเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น ระยะใกล้ที่สุดเมื่อ 22 สิงหาคม 1924 ที่ และระยะใกล้ที่สุดที่จะเกิดขึ้นเมื่อ 24 สิงหาคม 2208 ที่
จุดที่โดดเด่นในประวัติศาสตร์การสังเกตดาวอังคารคือเมื่อดาวอังคารอยู่ในตำแหน่งตรงข้ามใกล้กับโลกและทำให้มองเห็นได้ง่ายที่สุดซึ่งเกิดขึ้นในทุกสองปี ที่เด่นชัดยิ่งขึ้นอีกคือการเข้าสู่ตำแหน่งตรงข้ามขณะอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดของดาวอังคารซึ่งเกิดขึ้นทุก ๆ 15 ถึง 17 ปี นั่นหมายถึงการเข้าใกล้โลกมากยิ่งขึ้นด้วยจนทำให้เห็นความแตกต่างอย่างชัดเจน
นักดาราศาสตร์อียิปต์โบราณบันทึกการดำรงอยู่ของดาวอังคารในฐานะวัตถุหนึ่งที่เคลื่อนผ่านท้องฟ้ายามราตรี และเมื่อ 1534 ปีก่อนคริสต์ศักราช พวกเขาก็คุ้นเคยดีแล้วกับการเคลื่อนถอยหลังของดาวเคราะห์ ในยุคจักรวรรดิบาบิโลเนียใหม่ นักดาราศาสตร์ชาวบาบิโลเนียบันทึกปูมตำแหน่งของดาวเคราะห์ต่าง ๆ ตลอดจนพฤติกรรมของดาวเคราะห์ที่สังเกตได้เอาไว้อย่างเป็นระบบและสม่ำเสมอ สำหรับดาวอังคาร พวกเขาทราบว่าดาวจะโคจรครบ 37 คาบซินอดิก หรือ 42 รอบจักรราศีในทุก ๆ 79 ปี พวกเขายังได้คิดค้นระเบียบวิธีทางคณิตศาสตร์ขึ้นมาเพื่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยในการทำนายตำแหน่งของดาวเคราะห์ทั้งหลาย
ในศตวรรษที่สี่ก่อนคริสต์ศักราช อาริสโตเติลตั้งข้อสังเกตว่าดาวอังคารได้หายไปเบื้องหลังดวงจันทร์ระหว่างการถูกบดบัง บ่งบอกว่าดาวอังคารนั้นต้องอยู่ห่างไกลออกไป ทอเลมี ชาวกรีกที่อาศัยในอะเล็กซานเดรีย พยายามแก้ไขปัญหาการเคลื่อนไหวในวงโคจรของดาวอังคาร แบบจำลองของทอเลมีและงานทางดาราศาสตร์ที่เขารวบรวมขึ้น ปรากฏต่อมาเป็นชุดหนังสือหลายเล่มรู้จักกันในชื่อ"อัลมาเจสต์" ซึ่งได้กลายมาเป็นตำราอันทรงอิทธิพลต่อดาราศาสตร์ตะวันตกตลอดสิบสี่ศตวรรษถัดมา งานนิพนธ์จากสมัยจีนโบราณยืนยันว่านักดาราศาสตร์ชาวจีนรู้จักดาวอังคารตั้งแต่ก่อนศตวรรษที่สี่ก่อนคริสต์ศักราช ในคริสต์ศตวรรษที่ห้า "สุริยสิทธันต์" ตำราทางดาราศาสตร์อินเดีย มีการประมาณเส้นผ่าศูนย์กลางของดาวอังคารไว้ ในวัฒนธรรมเอเชียตะวันออก มักเรียกดาวอังคารตามประเพณีว่า "ดาวไฟ" () โดยวางอยู่บนหลักธาตุทั้งห้า
ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่สิบเจ็ด ไทโค บราเฮวัดพารัลแลกซ์ของดาวอังคารวันต่อวัน ซึ่งต่อมาโยฮันเนส เคปเลอร์นำไปใช้คำนวณเบื้องต้นหาระยะทางสัมพัทธ์สู่ดาวเคราะห์ เมื่อกล้องโทรทรรศน์เป็นที่แพร่หลาย ได้มีการวัดค่าพารัลแลกซ์รายวันของดาวอังคารซ้ำอีกครั้งเนื่องในความพยายามที่จะหาระยะทางที่แม่นยำระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ โจวันนี โดเมนีโก กัสซีนีเป็นผู้ดำเนินการดังกล่าวเป็นบุคคลแรกในปี 1672 การวัดค่าพารัลแลกซ์ในช่วงแรก ๆ นั้นมีอุปสรรคสำคัญจากคุณภาพของตัวเครื่องมือเอง การสังเกตปรากฏการณ์ดาวศุกร์บดบังดาวอังคารเพียงครั้งเดียวเกิดขึ้นในวันที่ 13 ตุลาคม 1590 โดยมิคาเอล แมสต์ลินที่ไฮเดลแบร์ก ในปี 1610 กาลิเลโอ กาลิเลอีเป็นบุคคลแรกที่มองดูดาวอังคารผ่านกล้องโทรทรรศน์ บุคคลแรกที่วาดภาพดาวอังคารโดยแสดงลักษณะภูมิประเทศต่าง ๆ ด้วยคือนักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ คริสตียาน เฮยเคินส์
เมื่อถึงคริสต์ศตวรรษที่สิบเก้า กำลังขยายของกล้องโทรทรรศน์ได้เพิ่มมากขึ้นจนถึงระดับที่พอจำแนกแยกแยะรายละเอียดต่าง ๆ บนพื้นผิวได้ การเข้าสู่ตำแหน่งตรงข้ามใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดของดาวอังคารเมื่อวันที่ 5 กันยายน 1877 ปีนั้นเอง โจวานนี สเกียปปาเรลลี นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี ใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาด 22 เซนติเมตรในมิลานสร้างแผนที่ดาวอังคารที่มีรายละเอียดปลีกย่อยขึ้นเป็นฉบับแรก แผนที่นี้มีเอกลักษณ์โดดเด่นด้วยภูมิประเทศที่เขาเรียกชื่อว่า "คานาลี" ซึ่งได้รับการเปิดเผยต่อมาในภายหลังว่าเป็นเพียงภาพลวงตา รอยเส้นตรงยืดยาวบนพื้นผิวดาวอังคารที่ถูกทึกทักเรียกว่า"คานาลี" เหล่านี้ โจวานนีได้ตั้งชื่อให้ตามอย่างชื่อแม่น้ำที่มีชื่อเสียงเป็นที่รู้จักบนโลก ศัพท์ที่เขาใช้มีความหมายว่า "ทางน้ำ" หรือ "ร่องน้ำ" ซึ่งนิยมแปลกันอย่างผิด ๆ ในภาษาอังกฤษว่า "คลอง"
จากอิทธิพลของการสังเกตก่อนหน้า เพอร์ซิวัล โลเวลล์ นักตะวันออกศึกษาได้ตั้งหอดูดาวขึ้นโดยมีกล้องโทรทรรศน์ขนาด 30 และ 45 เซนติเมตร หอดูดาวนี้ได้ใช้ในการสำรวจดาวอังคารระหว่างโอกาสอันดีที่ผ่านมาในปี 1894 ตลอดจนการเข้าสู่ตำแหน่งตรงข้ามที่ดีลดหลั่นลงมาหลังจากนั้น เขาตีพิมพ์หนังสือหลายเล่มเรื่องดาวอังคารรวมไปถึงสิ่งมีชีวิตบนนั้นซึ่งส่งอิทธิพลอย่างใหญ่หลวงต่อสาธารณะ ยังมีการพบ "คานาลี" โดยนักดาราศาสตร์คนอื่น ๆ เช่น อองรี โฌเซฟ เพร์โรแตง และหลุยส์ ตอลลง ที่เมืองนิสโดยใช้หนึ่งในกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในเวลานั้น
การเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลอันประกอบด้วยการถอยร่นของแผ่นขั้วดาวและการเกิดพื้นที่มืดในช่วงฤดูร้อนของดาวอังคาร เมื่อประจวบเข้ากับคลองมากมายจึงนำไปสู่การคาดเดาเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคาร และความเชื่อที่ยึดมั่นถือมั่นอย่างยาวนานว่าดาวอังคารมีผืนทะเลที่กว้างใหญ่กับพืชนานาพันธุ์ กล้องโทรทรรศน์ในขณะนั้นยังไม่มีกำลังขยายถึงขั้นที่สามารถให้หลักฐานยืนยันการคาดเดาใด ๆ ได้ เมื่อใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ขึ้นก็จะสังเกตเห็น "คานาลี" ตรงยาวที่ขนาดเล็กลง ระหว่างการสังเกตในปี 1909 โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาด 84 เซนติเมตร แฟลมมาริยงสังเกตพบรูปแบบที่ไม่เป็นระเบียบแต่ไม่เห็น"คานาลี"
แม้กระทั่งบทความในคริสต์ทศวรรษ 1960 ยังมีการตีพิมพ์เรื่องชีววิทยาบนดาวอังคารโดยผลักไสคำอธิบายแนวทางอื่นออกไป คงไว้แต่ว่าสิ่งมีชีวิตบนนั้นนั่นเองเป็นเหตุของการเปลี่ยนตามฤดูกาลบนดาวอังคาร ภาวะการณ์โดยละเอียดทั้งเมแทบอลิซึมและวัฏจักรทางเคมีต่าง ๆ สำหรับระบบนิเวศที่ดำเนินได้จริงได้รับการตีพิมพ์
ครั้นยานอวกาศไปเยือนถึงดาวอังคารระหว่างปฏิบัติการมาริเนอร์ของนาซาในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1960 และ 70 แนวคิดเดิม ๆ ก็พินาศไปแบบไม่มีชิ้นดี นอกจากนี้ผลการทดลองตรวจหาสิ่งมีชีวิตโดยยานไวกิงในระหว่างปฏิบัติภารกิจ ทำให้สมมติฐานดาวเคราะห์มรณะที่ไม่น่าอยู่อย่างยิ่งก็ได้มาเป็นที่ยอมรับอย่างแพร่หลาย
ข้อมูลจากปฏิบัติการโดยยานมาริเนอร์ 9 และไวกิงได้นำมาใช้สร้างแผนที่ดาวอังคารที่ดียิ่งขึ้น และยิ่งดียิ่งขึ้นอย่างก้าวกระโดดด้วยปฏิบัติการโดยมาร์สโกลบอลเซอร์เวเยอร์ซึ่งส่งขึ้นในปี 1996 และดำเนินงานต่อเนื่องจนกระทั่งปลายปี 2006 ทำให้ได้แผนที่แสดงภูมิประเทศดาวอังคารที่ละเอียดลออครบถ้วนสมบูรณ์แม้กระทั่งสนามแม่เหล็กและแร่ธาตุบนพื้นผิวก็เป็นที่รับทราบ แผนที่เหล่านี้สามารถเข้าถึงได้ทางออนไลน์ ตัวอย่างเช่น กูเกิลมาร์ส สำหรับมาร์สรีคอนเนสเซนซ์ออร์บิเตอร์ และมาร์สเอ็กซ์เพรส ยังทำการสำรวจต่อเนื่องด้วยเครื่องไม้เครื่องมือใหม่ ๆ และช่วยสนับสนุนปฏิบัติการลงจอด นาซาได้เปิดให้เข้าใช้เครื่องมือทางออนไลน์คือ "มาร์สเทร็ค" ซึ่งให้ภาพปรากฏของดาวอังคารจากข้อมูลการสำรวจตลอด 50 ปี และ "เอ็กซ์พีเรียนซ์คิวริออซิตี" ซึ่งให้ภาพจำลองการท่องไปบนดาวอังคารแบบสามมิติพร้อมกับยานคิวริออซิตี
ดาวอังคารทางสากลนิยมได้ชื่อตามเทพเจ้าแห่งสงครามของโรมัน ในต่างวัฒนธรรม ดาวอังคารเป็นตัวแทนของความเข้มแข็ง ความเป็นชาย และความเยาว์วัย มีสัญลักษณ์เป็นรูปวงกลมที่มีลูกศรชี้ออกมาจากด้านขวาบน ซึ่งยังใช้เป็นสัญลักษณ์แทนเพศชายอีกด้วย
จากความล้มเหลวหลายต่อหลายครั้งของยานอากาศ-โครงการสำรวจดาวอังคาร เป็นผลให้กลุ่มวัฒนธรรมนอกกระแสนำไปเยาะเย้ยเสียดสีโดยกล่าวโทษตำหนิติเตียนว่าความล้มเหลวต่าง ๆ เป็นเพราะ "สามเหลี่ยมเบอร์มิวดา" ของโลก-ดาวอังคาร "คำสาปเทพอังคาร" หรือไม่ก็ "ผีปอบมหาดาราจักร" ที่ได้เขมือบเอายานสำรวจดาวอังคารไป
ความคิดตามสมัยนิยมที่ว่าดาวอังคารเต็มไปด้วยชาวดาวอังคารผู้ทรงปัญญาเฉลียวฉลาดลงหลักปักฐานอยู่อาศัย ได้ปะทุขึ้นในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 การสังเกตพบ "คานาลี" ของสเกียปปาเรลลีเมื่อประสานเข้ากับหนังสือของเพอร์ซิวัล โลเวลล์ในประเด็นดังกล่าว ได้ผลักดันแนวคิดมาตรฐานเกี่ยวกับดาวอังคารว่าเป็นดาวเคราะห์ที่แห้งแล้ง หนาวเย็น ใกล้ดับสูญ ร่วมไปกับการมีอารยธรรมโบราณที่ก่อสร้างงานชลประทานมากมายเอาไว้
ด้วยหลายการสังเกตและถ้อยแถลงโดยบุคคลผู้มีความโดดเด่นในสังคมได้ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "โรคคลั่งดาวอังคาร" ในปี ค.ศ. 1899 ขณะกำลังตรวจสอบคลื่นวิทยุในบรรยากาศด้วยเครื่องรับสัญญาณของเขาในห้องทดลองโคโลราโดสปริงส์ นิโคลา เทสลา นักประดิษฐ์ ได้สังเกตพบสัญญาณซ้ำ ๆ เขาสันนิษฐานในภายหลังว่าอาจเป็นการติดต่อสื่อสารทางวิทยุมาจากดาวเคราะห์ดวงอื่น ซึ่งเป็นไปได้ว่าคือดาวอังคาร บทสัมภาษณ์ในปี ค.ศ. 1901 เทสลากล่าวว่า:
มันเป็นบางครั้งภายหลังจากความคิดที่ได้ผุดวาบขึ้นมาในใจของผม การรบกวนที่ผมสังเกตพบนั่นอาจเป็นได้ว่าคือการควบคุมทางปัญญา แม้ว่าผมจะไม่สามารถไขรหัสความหมายเหล่านั้นได้ มันเป็นไปไม่ได้เลยสำหรับผมที่จะคิดว่าสิ่งเหล่านั้นทั้งหมดเป็นเพียงอุบัติเหตุ ความรู้สึกที่ทวีขึ้นอย่างมั่นคงในตัวผมก็คือผมเป็นบุคคลแรกที่ได้ยินการปฏิสันถารของดาวเคราะห์หนึ่งสู่ดาวเคราะห์อื่น
ทฤษฎีของเทสลาได้รับการสนับสนุนโดยลอร์ดเคลวิน ผู้ซึ่งไปเยือนสหรัฐอเมริกาในปี 1902 มีรายงานถึงคำพูดของเขาว่าเขาคิดว่าเทสลาจับสัญญาณของชาวดาวอังคารที่ส่งมายังสหรัฐอเมริกาไว้ได้ เคลวินปฏิเสธ "อย่างหนักแน่น" ในรายงานฉบับนี้ไม่นานก่อนการเดินทางออกจากอเมริกา เขากล่าวว่า "อะไรที่ผมพูดไปจริง ๆ ก็คือ ชนชาวดาวอังคาร ถ้าพวกเขามีอยู่ ก็ไม่ต้องสงสัยเลยว่าคงเห็นนิวยอร์ก เพราะไฟฟ้าจะเรืองแสงออกมาจนเห็นได้ชัด"
ในบทความของ"นิวยอร์กไทมส์" ในปี 1901 เอ็ดเวิร์ด ชาลส์ พิกเคอริง ผู้อำนวยการหอดูดาววิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าวว่า พวกเขาได้รับโทรเลขจากหอดูดาวโลเวลล์ในรัฐแอริโซนาที่ดูเหมือนจะยืนยันว่าดาวอังคารได้พยายามติดต่อสื่อสารกับโลก
ในต้นเดือนธันวาคมปี 1900 เราได้รับโทรเลขจากหอดูดาวโลเวลล์ในแอริโซนาว่าเห็นลำของแสงฉายส่งออกจากดาวอังคาร (หอดูดาวโลเวลล์มีความชำนาญเป็นพิเศษเรื่องดาวอังคาร) เป็นเวลาเจ็ดสิบนาที ผมส่งต่อข้อเท็จจริงนี้ไปยังยุโรปและส่งสำเนาจัดรูปแบบใหม่อีกหลายชุดไปทั่วประเทศ ผู้สังเกตพบเป็นบุคคลที่ละเอียดถี่ถ้วน เชื่อถือได้ และเขาก็ไม่มีเหตุผลอะไรที่จะสงสัยว่าแสงนั่นมีอยู่จริง มันส่งมาจากจุดทางภูมิศาสตร์ที่รู้จักกันดีบนดาวอังคาร นั่นแหละคือทั้งหมด ตอนนี้เรื่องได้ไปทั่วโลกแล้ว ในยุโรปก็มีการกล่าวกันว่าฉันก็มีการติดต่อสื่อสารกับดาวอังคาร และเรื่องพิสดารเกินจริงสารพัดอย่างก็พุ่งพรวด ไม่ว่าแสงนั่นจะเป็นอะไร พวกเราไม่มีทางล่วงรู้ ไม่ว่านั่นจะทรงปัญญาหรือไม่ ใครก็ตอบไม่ได้ มันเป็นเรื่องที่อธิบายไม่ได้โดยแท้
ต่อมาภายหลังพิกเคอริงได้เสนอให้มีการก่อสร้างชุดกระจกเงาจำนวนมากในรัฐเทกซัสโดยมุ่งหมายเพื่อส่งสัญญาณถึงชาวดาวอังคาร
ในทศวรรษที่ผ่านมา แผนที่พื้นผิวดาวอังคารความละเอียดสูงได้สำเร็จสมบูรณ์โดยมาร์สโกลบอลเซอร์เวเยอร์ เปิดเผยให้เห็นว่าไม่มีสิ่งประดิษฐ์แปลกปลอมใด ๆ เลยที่แสดงว่ามีสิ่งมีชีวิตที่ "ทรงปัญญา" อยู่อาศัย แต่การนึกฝันในแบบวิทยาศาสตร์เทียมเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตทรงปัญญาบนดาวอังคารยังดำเนินต่อไปจากเหล่านักวิจารณ์ เช่น ริชาร์ด ซี. ฮอกแลนด์ การโต้แย้งเรื่อง "คานาลี" ดั้งเดิม การคาดฝันบางเรื่องวางอยู่บนลักษณะภูมิประเทศเล็ก ๆ ที่เห็นรายละเอียดไม่ชัดแต่นึกคิดเอาผ่านภาพที่ได้จากยานอวกาศ อย่างเช่น 'พีระมิด' และ 'ใบหน้าบนดาวอังคาร' นักดาราศาสตร์ดาวเคราะห์ คาร์ล เซแกน เขียนไว้ว่า
ดาวอังคารกลายมาเป็นสมรภูมิแห่งเทพนิยายชนิดหนึ่งที่พวกเราชาวโลกได้ฉายออกมาซึ่งความหวังและความกลัว
การพรรณนาเรื่องดาวอังคารในนิยายได้รับการกระตุ้นเสริมด้วยโทนสีแดงเร้าอารมณ์ ผนวกกับการคาดเดาตามแบบวิทยาศาสตร์ในสมัยคริสต์ศตวรรษที่สิบเก้าว่าภาวะการณ์ต่าง ๆ บนพื้นผิวดาวจะต้องเกื้อหนุนไม่เฉพาะชีวิตเท่านั้นแต่ยังเป็นสิ่งมีชีวิตทรงปัญญาอีกด้วย นำไปสู่การสร้างสรรค์งานในฐานบทดำเนินเรื่องของนิยายวิทยาศาสตร์จำนวนมาก หนึ่งในนั้นคือเรื่อง "เดอะวอร์ออฟเดอะเวิลด์ส" ของ เอช. จี. เวลส์ ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1898 มีเนื้อหาว่าชาวดาวอังคารพยายามหลบหนีออกจากดาวเคราะห์ใกล้ตายของพวกเขาโดยการมารุกรานโลก ต่อมาภายหลังได้มีการทำ"เดอะวอร์ออฟเดอะเวิลด์ส" ฉบับวิทยุในอเมริกา กระจายเสียงเมื่อวันที่ 30 ตุลาคม 1938 โดยออร์สัน เวลส์ซึ่งแสดงในรูปการรายงานข่าวแบบสด และเป็นที่ลือกระฉ่อนขึ้นมาทันทีเพราะไปทำให้สาธารณชนเกิดการตื่นตระหนกเมื่อผู้ฟังจำนวนมากเข้าใจผิดไปว่าสิ่งที่พวกเขาได้ยินเป็นเรื่องจริง
งานที่มีอิทธิพลประกอบด้วย "เดอะมาร์เชียนครอนิเคิลส์" ของ เรย์ แบรดบูรี ซึ่งมีเนื้อหาว่านักสำรวจมนุษย์ได้ทำลายอารยธรรมชาวดาวอังคารโดยบังเอิญ นิยายชุด "บาร์ซูม" ของเอ็ดการ์ ไรซ์ เบอร์โรห์ นวนิยายเรื่อง"เอาท์ออฟเดอะไซเลนต์แพลเน็ต" ของซี. เอส. ลิวอิส ในปี 1938 และอีกหลายชิ้นงานของโรเบิร์ต เอ. ไฮน์ไลน์ก่อนหน้าช่วงกลางคริสต์ทศวรรษหกสิบ
โจนาธาน สวิฟท์ได้มีการอ้างอิงถึงดวงจันทร์บริวารของดาวอังคารซึ่งเป็นเวลาก่อนหน้าการค้นพบจริงโดยเอเสฟ ฮอลล์กว่า 150 ปี โดยบรรยายรายละเอียดลักษณะวงโคจรของดาวเหล่านั้นได้ใกล้เคียงเป็นเหตุเป็นผลในบทที่ 19 ในนวนิยายของเขาเรื่อง "กัลลิเวอร์แทรฟเวลส์"
มาร์วินเดอะมาร์เชียน เป็นตัวการ์ตูนลักษณะชาวดาวอังคารที่เฉลียวฉลาด เริ่มปรากฏในโทรทัศน์เมื่อปี 1948 ในฐานะตัวละครหนึ่งในการ์ตูนภาพเคลื่อนไหวเรื่องลูนีทูนส์ของวอร์เนอร์บราเธอร์ส และยังดำเนินต่อมาในฐานเป็นส่วนหนึ่งของวัฒนธรรมนิยมจนปัจจุบัน
หลังจากยานอวกาศมาริเนอร์และไวกิงได้ส่งภาพดาวอังคารตามสภาพที่เป็นจริงมากมายกลับมา ว่าเป็นโลกที่แล้งร้าง ไร้ซึ่งชีวิตอย่างชัดแจ้ง และปราศจากคลองใด ๆ แนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับดาวอังคารก็ถูกโละทิ้ง นำมาสู่สมัยนิยมแห่งเรื่องราวการสร้างนิคมอยู่อาศัยของมนุษย์บนดาวอังคารแบบสอดคล้องเที่ยงตรงตามจริง เรื่องที่เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดเรื่องหนึ่งในลักษณะนี้คือ "มาร์สไตรโลจี" ของคิม สแตนลีย์ โรบินสัน อย่างไรก็ตาม การคาดเดาแบบวิทยาศาสตร์เทียมเกี่ยวกับใบหน้าบนดาวอังคารตลอดจนจุดลึกลับน่าพิศวงอื่น ๆ ซึ่งยานสำรวจอวกาศจับภาพได้ว่าเป็นร่องรอยของอารยธรรมโบราณ ยังเป็นแนวทางยอดนิยมในบันเทิงคดีแนววิทยาศาสตร์มาอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาพยนตร์
ดาวอังคารมีดาวบริวารค่อนข้างเล็กสองดวง ได้แก่ โฟบอส (เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 22 กิโลเมตร) และ ดีมอส (เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 12 กิโลเมตร) โดยมีวงโคจรใกล้กับดาวเคราะห์แม่ ทฤษฎีที่อธิบายว่าทั้งคู่เป็นดาวเคราะห์น้อยที่ถูกจับเอาไว้เป็นที่นิยมมายาวนาน แต่สำหรับกำเนิดที่มานั้นยังคลุมเครือ ดาวบริวารทั้งสองถูกค้นพบในปี 1877 โดยเอเสฟ ฮอลล์ ตั้งชื่อตามโฟบอส (ตระหนก/กลัว) และดีมอส (สยอง/น่าขนลุก) ซึ่งเป็นเทพในตำนานกรีก ร่วมไปกับเทพแอรีส เทพเจ้าแห่งสงครามบิดาของพวกเขา ชื่อดาวอังคารว่า "มาร์ส" นั้นคือชื่อเทพแอรีสตามแบบโรมัน ในกรีกปัจจุบัน ดาวอังคารยังคงใช้ชื่อตามอย่างโบราณว่า "Ares" (Aris: "Άρης")
จากพื้นผิวดาวอังคาร การเคลื่อนที่ของโฟบอสและดีมอสจะปรากฏให้เห็นแตกต่างออกไปจากดวงจันทร์ โฟบอสจะขึ้นทางทิศตะวันตก ตกทางทิศตะวันออก และกลับมาขึ้นอีกครั้งในเวลาเพียง 11 ชั่วโมง ส่วนดีมอสซึ่งอยู่นอกวงโคจรพ้องคาบพอดี ระยะคาบการโคจรของดาวจึงไม่ตรงพอดีกับคาบการหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์แม่ ดาวจะไม่ลอยค้างฟ้าในตำแหน่งเดิมแต่จะขึ้นตามปกติทางทิศตะวันออกอย่างช้า ๆ แม้ดีมอสจะมีคาบการโคจรราว 30 ชั่วโมง แต่ใช้เวลาถึง 2.7 วันระหว่างการขึ้นจนตกลับฟ้าไปสำหรับผู้สังเกตที่ศูนย์สูตร ซึ่งก็จะลับไปอย่างช้า ๆ คล้อยหลังการหมุนรอบตัวเองของดาวอังคาร
เนื่องจากวงโคจรของโฟบอสต่ำกว่าระดับความสูงพ้องคาบ แรงไทดัลจากดาวอังคารจึงดึงวงโคจรของดาวให้ต่ำลงไปเรื่อย ๆ ทีละน้อย อีกประมาณ 50 ล้านปีข้างหน้า เป็นไปได้ว่าโฟบอสอาจพุ่งเข้าชนกับดาวอังคารหรือไม่ก็แตกสลายออกกลายเป็นโครงสร้างวงแหวนรอบดาวเคราะห์
กำเนิดของดาวบริวารทั้งสองนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก การมีอัตราส่วนสะท้อนต่ำและมีองค์ประกอบแบบหินคอนไดรต์กลุ่มคาร์บอเนเชียสทำให้มีความคล้ายคลึงกับดาวเคราะห์น้อยซึ่งช่วยสนับสนุนทฤษฎีการจับยึด วงโคจรที่ไม่เสถียรของโฟบอสเหมือนจะชี้ให้เห็นว่าเป็นการจับเอาไว้ที่ค่อนข้างใหม่ แต่ทั้งคู่มีวงโคจรที่กลมใกล้กับศูนย์สูตรซึ่งจัดว่าไม่ปกติสำหรับวัตถุที่ถูกจับไว้ได้และยังต้องการพลวัตการยึดจับที่สลับซับซ้อน การจับตัวพอกพูนขึ้นตั้งแต่ช่วงต้นของประวัติศาสตร์ดาวอังคารยังเป็นกรณีที่ถือว่าเป็นไปได้ ถ้าหากว่าจะไม่นับรวมลักษณะองค์ประกอบของทั้งคู่ที่คล้ายคลึงกับดาวเคราะห์น้อยมากกว่าที่จะเหมือนกับดาวอังคารซึ่งยังต้องรอการยืนยัน
ความเป็นไปได้ในรูปแบบที่สามคือการมีวัตถุที่สามเข้ามาเกี่ยวข้องหรือเป็นชนิดหนึ่งของการแตกกระจายออกมาจากการพุ่งชน หลักฐานหลายประการที่ได้มาค่อนข้างใหม่พบว่าโครงสร้างภายในของโฟบอสมีความพรุนสูง และชี้ว่าองค์ประกอบภายในส่วนใหญ่เป็นฟิลโลซิลิเกตและแร่ธาตุอื่น ๆ ที่ทราบว่ามีบนดาวอังคาร ทำให้ประเด็นการกำเนิดของโฟบอสว่ามาจากเศษวัตถุที่กระจายออกมาภายหลังการถูกพุ่งชนของดาวอังคารแล้วได้มารวมกันในวงโคจรรอบดาวแม่นั้นน่าเชื่อถือมากขึ้น คล้ายกันกับทฤษฎีกระแสหลักเรื่องการกำเนิดดวงจันทร์ของโลก อย่างไรก็ตาม ค่าสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้ถึงช่วงใกล้อินฟราเรด (VNIR) ของดาวบริวารทั้งสองของดาวอังคารมีความคล้ายคลึงกับที่วัดได้จากแถบดาวเคราะห์น้อยด้านนอก และมีรายงานว่าสเปกตรัมรังสีอินฟราเรดของโฟบอสไม่สอดคล้องกับคอนไดรต์ไม่ว่าจะกลุ่มใด
ดาวอังคารอาจจะมีดาวบริวารอื่นนอกเหนือจากนี้แต่มีขนาดเล็กด้วยเส้นผ่าศูนย์กลางราว 50 ถึง 100 เมตร และคาดว่ามีวงแหวนฝุ่นอยู่ระหว่างโฟบอสกับดีมอส