火星的赤道半徑為3332公裏，只有地球半徑的壹半；它的體積只有地球的1/7，質量是地球的1/9，表面重力加速度是地球的2/5。在火星上，以每秒5公裏的速度拋出的物體可以離開火星。由於火星上的物體分離速度很低，火星很難束縛很多大氣分子，所以火星的大氣很稀薄。火星大氣的主要成分是二氧化碳，約占95%，其余是氮氣、氬氣、壹氧化碳、氧氣、臭氧和氫氣。水汽量很少，平均約占大氣總量的0.01%。地面大氣壓為7.5百帕，相當於地球上30 ~ 40公裏高度的大氣壓。
火星上的太陽輻射只有地球的40%，所以火星表面溫度比地球低30℃以上，晝夜溫差超過100℃。在火星赤道附近，氣溫只在中午上升到20℃左右，晚上下降到-50℃以下。極地的氣溫夏季只有-70℃，冬季可降至-139℃。火星的北極和南極都有自己的極冠，其大小隨季節而變化。北半球冬季時，北極冠增大；此時南半球正值夏季，南極冠減少。當北半球的夏天到來時，北極冠的面積也會縮小，就像地球上的冰雪會在夏天融化壹樣。
火星的季節性極冠包括水冰和幹冰(固體二氧化碳)。北極冠大部分由水冰構成，而南極冠由冰凍的二氧化碳構成。據估計，大氣中約20%的二氧化碳儲存在極冠中，儲存的水比大氣中多得多。如果極冠中的水冰完全溶解並均勻分布在火星表面，將形成厚度為10米的水層。
火星表面沒有液態水，但已探測到數千條幹涸的河床，其中最長的河床為1500 km，寬度約為60 km。主要的大河床分布在赤道地區，這是由粘性比熔巖流小的液體造成的，表明火星曾經有水。美國的維京號探測器選擇了最有可能存在生命的地方，對采集的土壤樣本進行了實驗和分析。結果表明，火星表面存在生命的可能性極小。
在火星的大氣中，經常會有形狀像黃雲的沙塵暴。當地經常發生沙塵暴，地球上的望遠鏡可以觀測到大型沙塵暴。特別大的塵暴(如1971年的塵暴)可以覆蓋火星全球，持續數月。沙塵暴是由火星低層大氣中的強風和塵埃顆粒組成的。據估計，火星南半球每次大沙塵暴覆蓋的塵埃多達108~1010噸。
火星是壹個寒冷而沒有生命的世界。其內部結構與地球相似，有地核、地幔和外殼。地核含有硫，幾乎所有的鐵都變成了硫化鐵。核心半徑約為1300~2000 km。外殼由大量由矽、鋁和少量鎂構成的輕質巖石組成，厚度約50公裏。
火星周圍有兩顆衛星，火衛壹和火衛二。幾乎都在火星赤道面上運行。