Grâce aux missions d'exploration, la cartographie de Mars est désormais assez bien connue. Elle est caractérisée par des reliefs imposants qui témoignent d'une activité volcanique et de la présence ancienne d'eau.

Il y a un fort contraste entre l'hémisphère nord, dont la plus grande partie est en-dessous du niveau moyen du sol, à part un vaste plateau très élevé nommé Tharsis, et l'hémisphère sud, dont au contraire le niveau est plus élevé que la moyenne. Autrement dit, si on terraformait Mars en y recréant des océans, il se formerait un vaste océan dans l'hémisphère nord, dont émergerait le plateau de Tharsis, tandis que l'hémisphère sud serait une vaste zone continentale.

On a aussi observé de larges et profonds canyons (spécialement Valles Marineris), qui indiquent qu'il y aurait eu sur Mars une grande quantité d'eau, et une activité hydrologique intense. Cependant, on ignore ce qu'est devenue cette eau. Il peut y en avoir emprisonnée dans les calottes glaciaires, il pourrait y en avoir aussi dans le sol, et peut-être une grande partie s'est-elle évaporée dans l'espace, l'atmosphère étant ténue et la gravité très inférieure à celle de la Terre.

La planète Mars occupe une place importante dans l'imaginaire humain, à cause de la croyance immémoriale en l'existence de la vie sur Mars. Cette croyance s'est fondée sur des observations de détails linéaires de la surface qui paraissaient artificiels et sur des changements d'éclat saisonniers de certaines zones, lesquels furent attribués à des changements de végétation. Cela a donné lieu à toutes sortes d'histoires concernant les Martiens. On sait maintenant que les détails linéaires sont soit inexistants, soit, dans certains cas, d'anciens cours d'eau asséchés. Les changements de couleur ont été attribués à des tempêtes de poussière. Le 6 août 1996, la NASA annonça que l'analyse de la météorite ALH 84001, supposément venue de Mars, avait révélé des détails pouvant être des fossiles d'organismes unicellulaires, bien que cette idée soit controversée. Il n'y a pas encore, à ce jour, de preuve concluante de l'existence de formes de vie sur Mars. En 2003, plusieurs sondes spatiales dont Beagle 2, Spirit et Opportunity visent à chercher ces preuves.

Le 2 mars 2004 le responsable scientifique de la mission américaine Mars Exploration Rover, Steve Squyres, a anoncé officiellement que le robot Opportunity avait découvert des traces minérales révélant la présence passée d'eau sur Mars.