地形图中，在西半球耸立一个醒目的特征，中央即为塔尔西斯高原，高约14公里，宽过6500公里，伴随着盛行火山作用的遗迹，包含五座大盾状火山，包括太阳系最高的奥林帕斯山，有21.287
火星地形
公里高，550公里宽。其他四座包括艾斯克雷尔斯山、帕弗尼斯山、阿尔西亚山和亚拔山－－以体积和1600公里的直径来看是太阳系最大的山。在大火山之间亦散布著零星的小火山。 在火星的另一端还有一个较小的火山群，以14.127公里高的埃律西姆山为主体，北南各有较矮的赫克提斯山和欧伯山。 峡谷 一提到火星的峡谷，可能会认为是由水造成的，但事实不只如此。除了水，还有由火山活动形成的。由水造成的又可能是洪水短时间冲刷成的、稳定的流水侵蚀成的、或由冰川侵蚀而成；但火山活动所喷发的熔岩流亦可造成熔岩渠道（Lava Channel）。另一个例子则是地壳张裂造成，如水手峡谷。

有个特别引人注目的例子。短短6年，这个沟壑又出现新的白色沉积物。NASA火星探测计划（Mars Exploration Program）的首席科学家麦克·梅尔（Michael Meyer）表示，只有含大量液态水才能形成这样的样貌。而水是出自降水、地下水或其他来源仍是一个疑问。不过有人提议，这可能是二氧化碳霜或是地表尘埃移除造成的。 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。 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，也有可能是太阳烤干了，因为火星离太阳近，从而最终确认火星上有水存在。

根据一项研究表明，板块运动在火星地质历史中可能占有重要地位，这一观点和传统看法相悖。此前科学界一般认为由于火星太小，其较快的内部冷却速度不允许它存在板块活动。 在这项研究中，科研人员认为火星奥林匹斯火山西北侧的一大片区域可能保存着板块活动的证据。这片区域存在大量的山脊和断崖。 华人地质学家，加州大学洛杉矶分校教授尹安是这项研究的负责人，他说：“这是火星在过去25万年间存在板块活动的证据”。传统观点认为火星由于体积质量均远小于地球，内部会很快冷却，因此在较近的历史时期不应当存在需要靠岩浆驱动的板块活动。 但是尹安教授认为他已经找到了切实的证据来证明火星表面的很多地貌特征和板块活动有关，甚至今天仍在发生作用。

一般情况下，研究人员倾向于将这些地貌特征归结于诸如滑坡等事件，但尹安教授绝非唯一一位认为火星存在板块运动的科学家。 他们中有一部分专家认为火星表面那一长串笔直的火山锥就是板块活动的表现。其中最明显的一处就是位于奥林匹斯山附近的三座巨型火山，它们一起构成了火星塔尔西斯高原的主体。这也是尹安教授重点关注的区域。 研究中，尹安教授同样注意到了火星表面巨大的水手谷，这是太阳系中最大的峡谷系统，长2800英里(4500公里)，深达7英里(11000米)。此项研究同样将其视作一处构造地貌

1996年，著名天文学家卡尔·萨根在应NASA（美国宇航局）要求而写的报告中列举了探测火星的理由： 1．火星是地球上人类可以探索的最近行星； 2．大约40亿年以前, 火星与地球气候相似, 也有河流、湖泊甚至可能还有海洋, 未知的原因使得火星变成今天这个模样。探索使火星的气候变化的原因, 对保护地球的气候条件具有重大意义； 3．火星有一个巨大的臭氧洞, 太阳紫外线没遮拦地照射到火星上。可能这就是海盗1号、海盗2号未能找到有机分子的原因。火星研究有助于了解地球臭氧层一旦消失对地球的极端后果。 4．在火星上寻找历史上曾经有过的生命的化石, 这是行星探测中最激动人心的目的之一, 如果找到, 就意味着只要条件许可生命就能在宇宙中行星上崛起； 5．查明今日火星上有无绿洲, 绿洲上有无生命以及生命存在的形式类型； 6．火星探测是许多新技术的试验场地, 这些技术包括大气制动利用火星资源产生氧化剂和燃料返程用遥控自动仪和取样远程通讯等；

7．虽然南极陨石提供了火星上少数未知地域的样本, 但只有空间探测才能窥其全貌； 8．从长期来看, 火星是一个可供人们移居的星球； 9．由于历史的原因, 公众对火星探测的支持和共鸣是任何其它空间探测对象难以相比的火星探测是进行国际合作的理想项目 水与冰 火星的低压下，水无法以液态存在，只在低海拔区可短暂存在。 而冰倒是很多，如两极冰冠就包含大量的冰。2007年三月，NASA就声称，南极冠的冰假如全部融化，可覆盖整个星球达11米深。另外，地下的水冰永冻土可由极区延伸至纬度约60°的地方。

白色沉积物。NASA火星探测计划（Mars Exploration Program）的首席科学家麦克·梅尔（Michael Meyer）表示，只有含大量液态水才能形成这样的样貌。而水是出自降水、地下水或其他来源仍是一个疑问。不过有人提议，这可能是二氧化碳霜或是地表尘埃移除造成的。 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。 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。