火星，因其表面被氧化铁(III)尘埃覆盖成橘红色，又被称为“红色星球”，它是离太阳第四远的行星。火星是地球天空中最亮的天体之一，它的高反照率特征使它成为望远镜观测的常见对象。它被归类为类地行星，是太阳系中第二小的行星，直径为6779公里，大约是地球的一半，其表面积仅略小于地球陆地的总面积。火星的密度比地球小，体积约为地球的15%，质量约为地球的11%，其表面重力约为地球的38%。火星是目前已知的唯一一个沙漠行星的例子，这是一个岩石行星，表面类似于地球的炎热沙漠。在轨道运动方面，火星太阳日等于24.5小时，火星太阳年等于687个地球日。火星有两颗小而不规则的天然卫星:火卫一和火卫二。
火星形成于大约45亿年前。科学家们推测，在太阳系形成过程中，火星是围绕太阳运行的protoplanetary disk原行星盘中物质失控吸积的随机过程的结果。火星的地质历史可以分三个主要时期：Noachian period:诺亚时期:形成火星现存最古老的表面，大约在45到35亿年前。诺亚时代的地表布满了巨大的撞击坑。塔尔西斯隆起Tharsis bulge,，一个火山高地，被认为是在这一时期形成的，在这一时期后期有大量的液态水泛滥。以诺亚·特拉Noachis Terra.命名。Hesperian period:赫斯派时期第三纪:35亿至29亿年前。赫斯派时期的特点是形成了广阔的熔岩平原。以Hesperia Planum海橘命名。Amazonian period:亚马逊时期:从29亿年前至今。亚马逊地区几乎没有陨石撞击坑，但其他方面却相当多样化。奥林匹斯山形成于这一时期，火星其他地方也有熔岩流。以亚马逊平原命名。
在行星形成之后，内太阳系可能遭受了所谓的晚期重轰击Late Heavy Bombardment.。大约60%的火星表面显示出那个时代的撞击记录，而其余的大部分表面可能被这些事件造成的巨大撞击盆地所覆盖。然而，最近的模型对晚期重轰炸的存在提出了质疑。有证据表明，火星北半球有一个巨大的撞击盆地，面积横跨10,600乘8,500公里的区域，被称为艾特肯盆地Aitken basin，大约是月球南极的四倍大，如果得到证实，这将是迄今为止发现的最大的撞击盆地。据推测，这个盆地是在大约40亿年前，火星被冥王星大小的天体撞击时形成的。这一事件被认为是火星半球一分为二的原因，它创造了光滑的北方盆地，覆盖了火星的40%表面。今天火星上的地质活动仍在进行。Athabasca Valles阿萨巴斯卡山谷是大约20万年前形成的片状熔岩流的所在地。在被称为Cerberus Fossae的地堑中，水流发生的时间不到20万年，这表明同样是最近的火山侵入
和地球一样，火星已经分化成一个致密的金属内核，上面覆盖着密度较小的物质。目前对其内部的模型表明其核心主要由铁和镍以及约16-17%的硫组成。这个硫化铁(II)的地核被认为是地球上较轻元素的两倍。地核周围是硅酸盐岩石地幔，形成了火星上的许多构造和火山特征，但它似乎没有类似于地球下地幔的隔热层，并可能处于休眠状态。火星地幔在大约500公里深处似乎是固体的，那里是低速带(部分融化的软流层)开始的地方。在软流层以下，地震波的速度再次开始增长;在大约1050千米的深处是过渡带的边界，一直延伸到地核。对洞察号着陆器数据的进一步分析表明，火星有一个液态金属核心。火星地壳的平均厚度约为50公里，最大厚度为125公里。相比之下，地球地壳的平均厚度为40公里。除了硅和氧，火星地壳中最丰富的元素是铁、镁、铝、钙和钾。此外，在2023年10月25日，科学家利用洞察号的数据报告说，火星地壳下有一个放射性岩浆海洋。
火星是一颗类地行星，其表面由含有硅和氧的矿物、金属和其他通常构成岩石的元素组成。火星表面主要由tholeiitic basalt,拉斑玄武岩组成，尽管部分比典型的玄武岩更富硅，并且可能类似于地球上的安山岩或硅玻璃。低反照率区域显示斜长石的浓度，北部低反照率区域显示高于正常浓度的矽酸片和高硅玻璃。南部高地的部分地区含有可检测到的高钙辉石。已经发现了局部浓度的赤铁矿和橄榄石。大部分表面都被细粒氧化铁(III)灰尘iron(III) oxide dust覆盖。凤凰号发回的数据显示，火星土壤呈微碱性，含有镁、钠、钾和氯等元素。这些营养物质存在于地球上的土壤中。它们是植物生长所必需的。着陆器进行的实验表明，火星土壤的碱性pH值为7.7，含有0.6%的高氯酸盐，其浓度对人类是有毒的
虽然没有证据表明火星有一个结构化的全球磁场，但观测表明，部分火星地壳已经被磁化，这表明它的偶极子场的交替极性反转在过去发生过。这种易受磁影响的矿物的古地磁类似于地球海底的交替带。在火星全球勘测者的帮助下，1999年发表并于2005年10月重新检验的一种理论认为，在行星磁场减弱之前，40亿年前火星上存在板块构造活动， 地表的辐射水平平均每天为0.64毫西弗，明显低于往返火星期间每天1.84毫西弗或每天22毫西弗的辐射水平。相比之下，近地轨道上的辐射水平，即地球空间站轨道上的辐射水平，大约是每天0.5毫西弗。Hellas Planitia的地表辐射最低，每天约为0.342毫西弗，Hadriacus Mons西南的熔岩管的辐射水平可能低至每天0.064毫西弗
1840年，德国天文学家Johann Heinrich Mädler约翰·海因里希，首先确定了火星表面的大部分特征是永久性的，并结合了十年的观测，绘制了第一张火星地图。从地球上看，火星表面分为反照率不同的两类区域。覆盖着富含红色氧化铁的尘土和沙子的苍白平原曾被认为是火星的“大陆”，并被命名为Arabia Terra阿拉伯地或Amazonis Planitia亚马逊平原。深色的特征被认为是海洋，因此它们的名字是赤海或海。从地球上看到的最大的黑暗特征是sytis大平原。永久的北极冰盖被命名为Planum Boreum。南部的冰帽被称为澳洲平原Planum Australe。由于火星没有海洋，因此没有“海平面”，因此必须选择零海拔表面作为参考高度;这被称为火星的面，类似于地球的大地水准面。零海拔是指大气压为610.5帕的高度。这个压力相当于水的三相点，大约是地球海平面表面压力的0.6%。
火星广阔的高原地区塔尔西斯有几座死火山，其中包括盾状火山奥林匹斯山。这座死活山的面积超过600公里宽。因为这座山很大，边缘结构复杂，很难给它一个确切的高度。它的局部地形，从形成其西北边缘的悬崖脚下到它的顶峰，超过21公里，从它在海底的底部测量，是Mauna Kea莫纳克亚山的两倍多一点，。从西北方向1000多公里的亚马逊平原到山顶的总海拔变化接近26公里，大约是珠穆朗玛峰高度的三倍，相比之下，珠穆朗玛峰的高度仅为8.8公里多一点。因此，奥林匹斯山是太阳系中最高或第二高的山;唯一已知的比它更高的山是灶神星asteroid Vesta,上的雷亚西尔维亚峰，高20-25公里。火星上留下了许多陨石坑的痕迹:已经发现的直径在5公里或更大的陨石坑总共有43000个。最大的暴露陨石坑是Hellas，宽2300公里，深7000米，从地球上可以清楚地看到轻微的反照率。
火星上最大的峡谷，长4000公里，深度达7公里，被称为Valles Marineris “水手山谷”， 长度相当于欧洲的长度，横跨火星周长的五分之一。相比之下，地球上的大峡谷只有446公里(277英里)长，近2公里(1.2英里)深。水手谷是由于塔尔西斯地区的膨胀而形成的，这导致了水手谷地区的地壳崩塌。2012年，有人提出，水手谷不仅仅是一个地堑，而是一个板块边界，在那里发生了150公里(93英里)的横向运动，这使得火星可能是一个由两个构造板块组成的行星。美国宇航局火Mars Odyssey orbiter星奥德赛号轨道飞行器上的热发射成像系统(THEMIS)拍摄的图像显示，在阿尔西亚火山Arsia Mons.的侧翼有七个可能的洞穴入口。洞穴入口宽100至252米，估计深度至少为73至96米。由于光线无法到达大多数洞穴的底部，它们可能比这些较低的估计延伸得更深，并在地表以下变宽。
火星的磁层在40亿年前就消失了，可能是由于许多小行星的撞击，因此太阳风直接与火星电离层相互作用，通过剥离外层的原子来降低大气密度。火星全球勘测者号和火星快车号都探测到电离的大气粒子在火星后面的空间中逐渐消失。火星的大气由96%的二氧化碳，1.93%的氩气和1.89%的氮气以及微量的氧气和水组成，与地球相比，火星的大气相当稀薄。，地表大气压力从奥林匹斯山的30pa (0.0044 psi)低到Hellas Planitia的1155 Pa (0.1675 psi)，地表平均压力为600 Pa (0.087 psi)。火星上的最高大气密度相当于地球表面以上35公里(22英里)处的大气密度。由此产生的平均地表压力仅为地球101.3千帕(14.69 psi)的0.6%。火星大气层的尺度高度约为10.8公里(6.7英里)，比地球的6公里(3.7英里)要高，因为火星表面的重力只有地球的38%。
由于火星表面的大气压力较低，液态水不可能存在于火星表面，除非在海拔最低的地方可能有很短的存在时间。但两极的两个冰盖似乎主要是由水构成的，大量的冰被认为被困在火星厚厚的冰冻圈中，南极冰帽中的水冰体积，如果融化，将足以覆盖整个火星表面，深度达11米。来自火星快车号和火星勘测轨道飞行器(MRO)的雷达数据显示，在两极和中纬度地区有大量的冰。凤凰号着陆器于2008年7月31日直接在火星浅层土壤中取样水冰。火星上可见的地貌有力地表明，火星表面曾存在液态水。巨大的线状冲刷地面，被称为流出通道，在地表上切割了大约25个地方。这些被认为是由地下含水层灾难性的水释放造成的侵蚀记录，尽管其中一些结构被假设是冰川或熔岩作用的结果。
在其他地方，特别是在火星表面最古老的地区，更精细的树突状山谷网络分布在相当大的比例上。这些山谷的特征及其分布强烈暗示，它们是由早期火星历史上的降水产生的径流雕刻而成的。地下水流和地下水侵蚀可能在某些网络中起重要的辅助作用，但降水可能是几乎所有情况下切口的根本原因。沿着陨石坑和峡谷壁，有成千上万的特征看起来与陆地沟壑相似。沟壑往往在南半球的高地上，面向赤道;它们都位于北纬30°的极地。一些作者认为它们的形成过程与液态水有关，可能来自融化的冰。火星表面曾经存在液态水的进一步证据来自对赤铁矿和针铁矿等特定矿物的探测，这两种矿物有时都是在有水的情况下形成的。
2004年，机遇号探测到了黄钾铁矾。它只在酸性水存在的情况下形成，这表明水曾经存在于火星上。勇气号火星车在2007年发现了高浓度的二氧化硅沉积物，表明过去的潮湿环境。2011年12月，机遇号火星车在火星表面发现了矿物石膏，这种矿物也是在有水的情况下形成的。2013年3月18日，好奇号探测器上的仪器发现的矿物水合作用的证据，在几个岩石样本中发现水合硫酸钙， 2015年9月，NASA宣布，根据斜坡暗区光谱仪的读数，他们在反复出现的斜坡线中发现了水合盐水流动的有力证据。这些条纹在火星的夏季向下流动，当温度高于- 23°C时，在较低的温度下冻结。2016年11月，nasa报告说，在乌托邦平原地区发现了大量的地下冰。据估计，探测到的水量相当于苏必利尔湖的水量。在2018年至2021年的观测期间，ExoMars微量气体轨道器在水手谷峡谷系统中发现了水的迹象，可能是地下冰。
最近的证据表明，火星表面的任何水都可能太咸太酸，不适合一般的陆地生命。火星上的环境条件对维持有机生命来说是一个挑战:火星表面几乎没有热量传递，由于缺乏磁层，它对太阳风轰击的绝缘性很差，并且没有足够的大气压力来保持液态水(水反而升华为气态)。火星在地质上几乎，或者可能完全死亡;火山活动的结束显然停止了地球表面和内部之间化学物质和矿物质的循环。众多证据表明，火星曾经比现在宜居得多，但火星上是否曾经存在过生物体仍不得而知。火星轨道飞行器探测到的少量甲烷和甲醛都被认为可能是生命存在的证据，因为这些化合物在火星大气中会迅速分解。但这些化合物也可以通过火山或其他地质方式补充，如蛇纹石作用，涉及水、二氧化碳和矿物橄榄石
到目前为止，前苏联、美国、欧洲、印度、阿拉伯联合酋长国和中国已经向火星发射了数十艘无人航天器，包括轨道飞行器、着陆器和漫游者，以研究火星的表面、气候和地质。截至2023年，火星上有10艘运行中的航天器。其中8个已进入火星轨道，另外两个在火星表面的好奇号和毅力号漫游车。在整个20世纪和21世纪，已经提出了几个人类火星任务的计划，但没有一个实现。2017年的《NASA授权法案》指示NASA在本世纪30年代初研究载人火星任务的可行性;最终报告得出的结论是，这是不可行的。像SpaceX这样的私人公司目前正积极地推进自己的火星殖民计划，该公司的型检系列宇宙飞船正处于实验发射过程阶段，根据创始人马斯克的预计，人类首次登录火星将在2033年左右，最终目标是在火星上定居并建立永久殖民地