太陽系中，比火星更遠的其他4顆行星（木星、土星、天王星、海王星）有時合稱為外行星，它們沒有內行星那樣的位相變化，也不受早晚出現的限制，游弋于黃道附近，它們可以出現在夜間任何時候。從地球上看去，外行星同太陽的角距在0°～360°之間變化。外行星相對于太陽的視運動也有4個特殊位置：合、沖、東方照、西方照。合是外行星位于太陽的背面，即外行星和太陽在同一個方向上，我們看不見它。“合”是指外行星與地球分居太陽兩側，二者相距最遠，且無法觀測的時刻（因與太陽一起東升西落，出現在白天）。合之后若干時間，外行星西移到離太陽有一定角距時，日出前出現在東方地平線上，行星在太陽以東90°成為東方照。以后行星西移至太陽西方90°成為西方照，在后半夜都可以見到。“沖”是外行星隔著地球同太陽相對，當外行星運動至與合相反的位置，正好使地球位于外行星與太陽中間，這種位置天文學上稱為“沖日”，簡稱“沖”。當外行星到達沖的位置時，太陽剛落山它就從東方升起，整夜都可以觀測到，這時的外行星距離地球最近。過沖后，外行星繼續西移，又移到東方照、西方照，外行星連續2次合或沖的時間間隔叫做會合周期。

火星的軌道偏心率為0.0934，遠日點距離是24920萬千米，近日點距離是20670萬千米。火星在橢圓軌道上運行時同地球的距離變化很大，火星與地球的會合周期是779.94天，即大約每隔這樣一段時間，火星接近地球一次。雖然每次火星沖日前后，火星同地球的距離接近，但是每次的距離又不相同，火星沖日時與地球的距離在5500萬～12000萬千米之間變化。當火星沖日又在距離地球最近（可達5500萬千米）時，稱為“火星大沖”。平均說來，火星每15～17年間出現一次大沖。上一次大沖發生在2003年8月27日，火星與地球相距不到5576萬千米，是5萬年來地球最接近火星的一次，也是未來21世紀、22世紀火星最接近地球的時刻。

火星大沖時顯得特別明亮，且整夜可觀測到，是觀測研究火星的最好時機。通過天文望遠鏡觀察，火星兩極始終為白色物質所覆蓋——稱為火星極冠，隨著季節的變化，火星極冠也隨著寒來暑往消長。早在1870年，法國有個名叫良依斯的天文學家指出，火星上觀察到的一些暗區，很可能是植物帶。1877年火星大沖的時候，意大利天文學家斯基帕雷里發現火星表面的一些特征，主要是一些細而長的黑線條，他當時稱之為“canal”（水渠），結果許多人因此想象那些線條是火星上的“人工運河”。進而把所謂“火星人”想象得比地球人還聰明。