地球軌道外側的近鄰就是火星，是最典型的類地行星，肉眼看上去，熒熒如火，發出暗紅色的光芒。天文學家對火星進行了多方面的觀測研究，特別是近30多年來，空間探測器對火星進行逼近、環繞和著陸等多種實地考察探測，收集到極詳細的火星資料，證實火星的表面異常荒涼。

火星表面干燥荒涼，其中75％布滿了沙漠，土壤成分是硅酸鹽、褐鐵礦等鐵氧化物，其中氧化硅約占45％，氧化鐵約占18％，氧化鎂約占8％，氧化鈣約占6％等。火星表面的土壤和沙石中含有這么多紅色的鐵、硅酸鹽和其他金屬的氧化物，這些物質在陽光的照射下呈現出引人注目的紅色光輝，所以遠遠看去，火星是一個橙紅和棕紅的世界。火星上環形山遍布，峭壁峽谷相互交織。最龐大的火山是奧林匹斯火山，火山口直徑為600千米，高達26千米，是地球上珠穆朗瑪峰的3倍。火星赤道以南有一條巨大的峽谷，名叫“水手谷”，它由許多峽谷組合而成，長4000千米以上，寬100～300千米，最深處達7千米。此外，火星表面到處可見沙丘和干枯的河床。奇特的河床縱橫交錯，有數千條之多，其中最長的達1500千米，寬60千米。這表明，大約30億年前，火星上曾發生過特大洪水。

火星大氣非常稀薄，表面氣壓只有地面氣壓的0.6％，在一些火山的頂峰上只剩下0.1％。由于空氣稀薄，對外交換的熱量小，所以晝夜溫差常常超過100℃，遠大于地球上晝夜溫差的幅度。火星大氣里由溫差引起的氣流速度很快，達到30～60米／秒，經常刮起表面的塵土形成強烈的沙塵暴，所以季節性、周期性的沙塵暴成為火星上奇異的景觀。差不多一個火星年，即每當火星位于近日點附近時，南半球正值夏季，烈日形成的強大氣流卷起沙塵，就要發生一次大的沙塵暴。塵暴開始于南半球，然后迅速蔓延，乃至席卷整個火星。大的塵暴來臨時所形成的塵埃云，可持續數月之久。特大塵暴發生時，風速可達180米／秒，幾乎是地球上12級臺風的6倍。據估計，一次火星大塵暴揚起的塵埃總量可以達到100億噸，火星上空數千米被滾滾黃塵所籠罩。1971年，“水手9號”在環繞火星運動時恰逢塵暴，無法觀測火星表面，于是退居到軌道上等待。

火星南、北極區的白色覆蓋物，稱為“極冠”。它是荷蘭學者惠更斯于17世紀發現的。用望遠鏡觀測，極冠的大小隨火星的季節而變化，冬天增大，夏天消融。空間探測表明，極冠主要由凝結的二氧化碳干冰和部分水冰構成，溫度為-70～-139℃，而且有分層結構，每層厚度為10～50米。科學家認為，可能是因為火星氣候的冷暖交替致使極冠的凍結和融化而形成的。