Mars
sekitar beberapa juta tahun yang lalu. Di tempat lain, terutama di wilayah tertua permukaan Mars, jaringan lembah yang bercabang menyebar di sepanjang bentang alam. Ciri dan persebaran lembah tersebut menunjukkan bahwa lembah tersebut dibentuk oleh limpasan permukaan yang diakibatkan oleh hujan atau salju pada awal sejarah Mars. Aliran di bawah permukaan dan proses pengikisan tanah dari
lereng oleh air tanah yang ada di tepi sungai atau lereng bukit mungkin memainkan peran tambahan di beberapa jaringan, namun hujan kemungkinan merupakan penyebab utama.
Di Mars juga ada ribuan kenampakan di kawah dan dinding lembah yang mirip dengan parit. Parit tersebut biasanya ada di dataran tinggi belahan selatan. Sejumlah penulis menyatakan bahwa proses pembentukannya memerlukan air, kemungkinan dari es yang mencair, namun ada pula yang meyakini bahwa es karbon dioksida dan pergerakan debu kering-lah yang membentuknya. Parit-parit tersebut sangat muda, bahkan mungkin masih aktif hingga sekarang.
Ciri geologis lain, seperti delta dan kipas aluvial, digunakan sebagai dasar untuk mendukung gagasan bahwa Mars pada awalnya lebih hangat dan basah. Keadaan semacam itu memerlukan keberadaan banyak danau di permukaan, dan untuk itu ada bukti-bukti mineralogis, sedimentalogis, dan geomorfologis. Beberapa penulis bahkan menyatakan bahwa pada masa lalu sebagian besar dataran rendah di utara merupakan samudra, meskipun hal ini masih diperdebatkan.
Bukti lebih lanjut bahwa air pernah ada di permukaan Mars muncul dari penemuan beberapa mineral tertentu seperti hematit dan goetit, yang kadang-kadang terbentuk saat air ada. Beberapa bukti yang sebelumnya diyakini menunjukkan keberadaan cekungan dan aliran air kuno telah ditampik oleh penilikan beresolusi tinggi oleh Mars Reconnaissance Orbiter. Pada tahun 2004, Opportunity
menemukan mineral jarosit. Mineral ini hanya terbentuk jika ada air berasam, yang menunjukkan bahwa air pernah ada di Mars.
Mars punya dua tudung es kutub permanen. Selama musim dingin di salah satu kutub, lapisan tersebut diselubungi oleh kegelapan, sehingga mendinginkan permukaan dan menyebabkan 25-30% atmosfer mengembun menjadi es CO2 (es kering). Saat Matahari kembali menyinari kutub, CO2 yang membeku menyublim, sehingga menghasilkan angin kencang yang menyapu wilayah kutub dengan kecepatan
400 km/jam. Peristiwa musiman tersebut mengangkut banyak debu dan uap air yang menghasilkan embun beku dan awan cirrus besar. Awan es-air dicitrakan oleh Opportunity pada tahun 2004.
Tudung es Mars terdiri dari es air. Karbon dioksida beku melapisinya dengan ketebalan satu meter di kutub utara pada musim dingin; sementara di kutub selatan, tudung es kering tersebut bersifat permanen dengan ketebalan delapan meter. Diameter tudung es kutub utara tercatat sekitar 1000 kilometer selama musim panas, dan mengandung sekitar 1.6 juta km kubik es. Tudung es kutub
selatan mempunyai diameter sekitar 350 km dan ketebalan 3 km. Total volume es di kutub selatan ditambah lapisannya diperkirakan juga sekitar 1.6 juta km kubik. Di kedua tudung es terdapat lembang-lembang, yang diduga terbentuk akibat pemanasan Matahari, ditambah dengan penyubliman es dan pengembunan uap air.
Pembekuan musiman di beberapa wilayah di dekat tudung es kutub selatan mengakibatkan pembentukan es kering transparan setebal 1 meter di atas permukaan. Begitu musim semi datang, tekanan dari penyubliman CO2 mengangkat dan memecahkan lapisan tersebut. Akibatnya, terjadi letusan gas CO2 yang bercampur dengan pasir atau debu basalt gelap. Proses ini berlangsung cepat dan tidak biasa dalam geologi Mars. Gas yang
bergerak cepat di bawah lapisan ke tempat letusan menghasilkan pola saluran radial yang seperti laba-laba di bawah es.
Meskipun dikenang karena memetakan Bulan, Johann Heinrich Mädler dan Wilhelm Beer merupakan para "aerografer" pertama. Mereka merintis bahwa sebagian besar permukaan Mars bersifat permanen, dan menentukan periode rotasi planet. Pada tahun 1840, Mädler memadukan hasil pengamatannya selama sepuluh tahun dan menggambar peta pertama Mars. Daripada memberi nama, Beer dan Mädler menyebut beberapa tempat dengan huruf.
Saat ini, kenampakan-kenampakan di Mars dinamai dari berbagai sumber. Kenampakan albedo dinamai dari mitologi klasik. Nama kawah yang lebih besar dari 60 km berasal dari ilmuwan, penulis, dan tokoh lain yang membantu penelitian Mars. Kawah yang lebih kecil dari 60 km dinamai dari kota dan desa di dunia dengan jumlah penduduk lebih kecil dari 100000. Lembah besar dinamai dari kata mars atau bintang dalam berbagai bahasa, sementara lembah kecil dari sungai-sungai.
Nama kenampakan albedo besar tetap dipertahankan, tetapi kadang-kadang diperbaharui untuk melambangkan pengetahuan baru tentang sifat kenampakan tersebut. Contohnya, Nix Olympica ("salju Olympus") diubah menjadi Olympus Mons ("Gunung Olympus"). Permukaan Mars seperti yang terlihat dari Bumi terbagi menjadi dua macam daerah, dengan albedo yang berbeda. Dataran pucat yang dilapisi debu dan
pasir yang kaya akan besi oksida awalnya diduga sebagai 'benua' Mars dan diberi nama seperti Arabia Terra (tanah Arabia) atau Amazonis Planitia (dataran Amazonian). Kenampakan gelap sebelumnya diduga sebagai laut, sehingga dinamai Mare Erythraeum, Mare Sirenum dan Aurorae Sinus. Kenampakan gelap terbesar yang dapat terlihat dari Bumi adalah Syrtis Major Planum. Tudung es kutub utara yang permanen dinamai Planum Boreum, sementara tudung es kutub selatan disebut Planum Australe.
Khatulistiwa Mars ditetapkan melalui rotasinya, namun letak meridian utamanya ditentukan dengan penetapan titik yang berubah-ubah seperti di Bumi; Mädler dan Beer memilih sebuah garis pada tahun 1830 untuk peta Mars pertama mereka. Setelah wahana Mariner 9 menyajikan citra Mars pada tahun 1972, kawah kecil (nantinya disebut Airy-0) yang terletak di Sinus Meridiani dipilih sebagai tempat bujur 0.0°.
Mars tidak punya samudra sehingga tidak ada 'permukaan laut'. Ketinggian nol harus ditentukan, dan ini disebut areoid Mars, yang sejalan dengan geoid. Ketinggian nol adalah ketinggian yang tekanan atmosfernya 610.5 Pa (6.105mbar), atau sekitar 0.6% dari tekanan permukaan laut di Bumi (0.006atm). Tekanan ini sesuai dengan titik tripel air. Praktiknya permukaan ditetapkan secara langsung melalui pengukuran gravitasi satelit.
Dikotomi topografi Mars cukuplah mengejutkan: dataran utara yang diratakan oleh aliran lava berkebalikan dengan dataran tinggi di selatan yang dipenuhi kawah akibat tubrukan pada masa lalu. Penelitian pada tahun 2008 telah menghasilkan bukti untuk postulat yang diusulkan pada tahun 1980 bahwa belahan utara Mars ditubruk oleh objek dengan ukuran 1/10 hingga 2/3nya Bulan. Jika ini
benar, maka belahan utara Mars merupakan kawah tubrukan berukuran 10600 x 8.500 km, menjadikannya kawah tubrukan terbesar di Tata Surya.
Di Mars terdapat sekitar 43000 kawah dengan diameter 5 km atau lebih besar. Di antaranya yang terbesar adalah kawah Hellas, kenampakan albedo terang yang terlihat dari Bumi. Massa Mars lebih kecil, sehingga kemungkinan objek bertubrukan dengan planet tersebut sekitar setengahnya Bumi. Planet ini terletak lebih dekat dengan sabuk asteroid, sehingga kemungkinan ditubruk oleh benda
dari tempat tersebut meningkat. Mars juga lebih mungkin ditubruk oleh komet berperiode kecil, seperti yang berada di orbit Yupiter. Meskipun begitu, ada lebih sedikit kawah di Mars daripada Bulan karena atmosfer Mars melindunginya dari meteor-meteor kecil. Beberapa kawah mempunyai morfologi yang menunjukkan bahwa tanah menjadi basah setelah meteor menubruk.
Gunung berapi perisai Olympus Mons (Gunung Olympus) merupakan gunung tertinggi di Tata Surya. Ketinggiannya mencapai 27 km, atau tiga kali lipat tinggi Gunung Everest yang hanya sekitar 8.8 km. Gunung yang sudah tidak aktif ini terletak di wilayah Tharsis, yang juga merupakan tempat berdirinya beberapa gunung berapi besar lainnya.