古中国：取其“荧荧如火、亮度与位置变化甚大使人迷惑”之意，命名“荧惑”。《尚书 • 舜典》记载：“在璿玑玉衡以齐七政。”孔颖达疏：“七政，其政有七，于玑衡察之，必在天者，知七政谓日月与五星也。木曰岁星，火曰荧惑星，土曰镇星，金曰太白星，水曰辰星。”今日则取名“火星”。

古希腊：因火红之色而取名“Ares”（音：阿瑞斯），源自希腊神话的战神，天神宙斯的儿子阿瑞斯（希腊语：Ἄρης）。

古罗马：因火红之色而取名“Mars”（音：马尔斯），源自罗马神话的战神玛尔斯（拉丁语：Mars）。

火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷。南北半球的地形有着强烈的对比：北方是被熔岩填平的低原，南方则是充满撞击坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷分布各地，南北极有以水冰与干冰组成的极冠，而风成沙丘广布整个星球。随着卫星拍摄的越来越多，更发现很多耐人寻味的地形景观。

20 世纪早期地面以无线电波测量火星地形。1976 年海盗号进行的地形测量，发现了峡谷和南北半球的巨大差异，而衍生出北方平原本是海洋的假说。火星全球勘测者自 1999 年起以激光进行更精确的地形测量，得出目前使用的全球地形图，以火星大地水准面为基准，最高点在奥林帕斯山，高 21,229 米；最低点在希腊平原，低于基准 8,200 米。现在很多探测器如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者运用航照图的地形判别方法，以视差法来测量区域地形，并制成高分辨率立体照片。

来自火星奥德赛号上热辐射成像系统的影像显示阿尔西亚山北坡有七个可能的深洞，照片中光线无法抵达底部，推测底部可能更深、更宽，可能免受微陨星、紫外线、太阳闪焰和其他高能粒子的侵害，可能是未来寻找液态水或生命痕迹的可行地点。但后来火星勘察卫星的更高分辨率影像部分推翻了之前猜测，认为只是光线角度造成深不见底的样子。

火星与太阳平均距离为1.52AU，公转周期为 1.88 地球年，687 地球日，或 668.6 火星日。火星公转轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9.6 万年和 210 万年，于 0.002至 0.12 间变化；而地球的是 10万年和 41.3 万年，于 0.005 至0.058 间变化。

火星日平均为 24 小时 39 分 35.244 秒，或 1.027 地球日。火星目前自转轴倾角为25.19 度，和地球的相近，但可在 13 度至 40 度间变化，周期为一千多万年，不像地球的稳定处于22.1和24.5度间，是因为火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴。由于没有大卫星的潮汐作用，火星自转周期变化小，不像地球的会被慢慢拉长。

火星自转轴有明显倾斜，日照的年变化形成明显的四季变化，而一季的长度约为地球的两倍。由于火星轨道离心率大，为 0.093（地球只有 0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约 40 天。2009 年 10 月 26 日为北半球春分，2010年 5 月 13 日为夏至，目前北半球处春季。虽然火星没有地球般受海洋影响的复杂气候，但仍有以下特殊之处：火星轨道离心率比地球大，造成日射量在一年当中变化更大，位于近日点时，南半球处夏季，比北半球远日点夏季所造成的升温更强；随季节交替，二氧化碳和水汽会升华和凝结而在两极冠间迁移，驱动大气环流；地表反照率特征，因颜色深浅和沙、岩性质差异而造成的容积热容不同，可影响大气环流；易发生的尘暴会将沙尘粒子卷入高空，沙尘粒子吸收日光与再辐射会使高层大气增温，但遮蔽天空的沙尘会使地表降温；自转轴倾角和轨道离心率的长期变化则造成了气候的长期变迁。火星表面的平均温度比地球低 30 度以上。

目前火星与地球最短距离正慢慢减小。当地球与火星之间的距离最小时，称为火星冲日。火星相邻两次冲日的时间间隔约为 779 天，最近一次出现在 2016 年 5 月 22 日。下一次火星冲日将出现在 2018 年 7 月 27 日。当地球与太阳和火星连成一线时，在火星上便可看到地球凌日，在太阳的位置可看到地球的黑点通过，在地球上则不会看到火星凌日。

火星大气层相对较薄，平均地表气压只有 6 百帕，约为地球表面气压的 0.6%，相当于地球表面算起 35 公里高的气压，如此低的气压使声音传播的距离只有在地球上的1.5%。随着季节的变化，火星气压变化可达 20%。火星大气层按高度可分为低层大气、中层大气、上层大气和外气层。其中低层大气由于气悬微尘与地表的热，这部分相对温暖；中层大气存在有高速气流；上层大气（或热气层）温度很高，大气分子也不再像下层那样分布均匀；外气层高度在 200 公里以上，大气渐渐过度到太空，无明显外层边界。

火星大气成分为 95% 的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氩气，很少的氧气、水汽等，亦充满着很多悬浮尘埃，吸收蓝光使天空成黄褐色。2003 年火星大冲时地面望远镜在大气中发现了甲烷；2004 年 3 月，火星奥德赛号确认了这一发现。由于甲烷易被紫外线分解，存在甲烷表示现在或者最近几百年内在火星上存在制造甲烷的来源，火山作用、地质作用、彗星或小行星撞击甚至生物来源如甲烷古菌等都有可能。2013 年 9月 19 日，根据从好奇号得到的进一步测量数据，NASA 科学家报告，并没有侦测到大气甲烷存在迹象，总结甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不会排出任何甲烷，仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。

由于火星比地球离太阳远，日射量较少，表面温度应较低，计算值约 210K，但实际观测地表平均约240K，则是因为大量的二氧化碳所造成的温室效应。由于大气层很薄，无法保留很多热，使地表日夜温差很大，某些地区地表温度白天可达 28℃，夜晚可低至 -132℃，平均 -52℃。火星大气环流主要为单胞环流，由赤道相对热空气上升，漂至极区下沉，再沿地面回到赤道。另外，在火星的夏半球，极冠的二氧化碳升华进入大气，使气压升高；而冬半球由于二氧化碳凝华，气压下降，由于进出大气的二氧化碳量高达 25%，造成南北压力差，空气便倾向由高压的夏半球流向低压的冬半球，形成另一依季节而变向的环流。因此火星的天气系统趋向成为全球性的，例如尘暴。

火星天气重复次数较高，比地球容易预测。如果一个气象事件在一年的特定时间中发生，可提供的资料（相当稀疏）指出，很可能在下一年几乎同一个位置再发生一次，误差最多一个星期。2008 年 9 月 29 日，凤凰号拍下了降雪事件，是在接近凤凰号登陆地点附近海姆达尔撞击坑之上，高 4.5 公里的云降雪。这次降水在到达火星表面时就已蒸发，这现象称为幡状云。火星上的风速要超过地球 100 倍。

火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。

火星地表地貌大部分于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，两极皆有主要以水冰组成的极冠，而上覆的干冰会随季节消长。

基于撞击坑密度的撞击坑计数法可判别出地表年龄：撞击坑大而密集处较老，反之则年轻，进而将地质年代分为四个阶段：前诺亚纪、诺亚纪、赫斯珀利亚纪和亚马逊纪。前诺亚纪没有留下实质地表，此时地形南北差异形成，有全球性磁层；诺亚纪有大量陨石撞击，火山活动旺盛，可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋，侵蚀旺盛，但到末期这些活动已减弱很多；赫斯珀利亚纪，火山活动仍然继续；亚马逊纪则是大气稀薄干燥，以冰为主要活动，如极冠、冰冻层、冰河，并有周期性变迁，沟壑也是这时期形成，火山活动趋缓并集中在塔尔西斯与埃律西昂。

现今火星风成地形遍布，如吹蚀、磨蚀等风蚀作用，和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。前者形成如广泛分布于梅杜莎槽沟层的风蚀脊，后者则如大瑟提斯高原上撞击坑下风处的沙尘堆积，和撞击坑中常见的沙丘。

火星地表遍布着流水的遗迹，有些是洪水刻画而成，有些则是降雨或地下水流动而形成，但多半年代久远。冲蚀沟则是另一类规模较小的地形，但形成年代十分年轻，常分布于撞击坑壁，型态多样。关于成因有两派说法，一派认为是由流动的水造成，另一方则认为是凹处累积的干冰促使了松软物质滑动。

火星南北极有明显的极冠，曾被认为是由干冰组成，但实际上绝大部分为水冰，只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约 1 米厚，在南极则约 8 米厚，是冬季时凝华而成，到夏季则再度升华进入大气，不过南极的干冰并不会完全升华。夏季仍存在的部分称为永久极冠，而整体构造称做极地层状沉积，和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达 1,100 公里，厚达 2 公里，体积 82.1 万立方公里；南极冠宽达 1,400 公里，最厚达 3.7 公里，体积约 1.6 百万立方公里。两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷，推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。

2011 年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠有部分原本认为是水冰的地层其实是干冰，所含二氧化碳量相当于大气含量的 80%，这比以往认为的要多很多。根据此的模拟结果，十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结，大气总质量的变化幅度会达数倍。由这些干冰沉积上方地表的下陷与裂隙判断，干冰正在慢慢升华。

自海盗号即发现，火星北半球中纬度有几处峡谷底含有条纹流动状的地表特征，但不确定是富含冰的山崩、含冰土的流动或是尘砾覆盖的冰河。但根据更新任务的资料与比对地球的相关地形，支持这些是冰河，且推测是自转轴倾角较大时的气候状态下所累积的。

由火星奥德赛号 X 射线光谱仪的中子侦测器得知，自极区延伸至纬度约 60°的地方表层一米的土壤含冰量超过 60%，推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层。

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。

对于火星上有冰存在的直接证据在 2008 年 6 月 20 日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。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，从而最终确认火星上有水存在。

2013 年 9 月 26 日，美国航空航天局科学家报告，火星探测器好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至 3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。

2015 年 9 月 28 日，美国航空航天局宣布，在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据，研究人员在火星的神秘斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。 在较温暖的季节，这些线条的颜色变得更深，表明水流在斜坡上出现，在较冷的季节，这些地表特征变浅。在火星的部分地区，最高温度可以达到摄氏零下 23 度，此时深色线条最明显。

以直径、质量、表面重力来说，火星约介于地球和月球中间：火星直径约为地球的一半、月球的两倍，质量约为地球的九分之一、月球的九倍，表面重力约为地球的十分之四。火星体积为地球的 15%，质量为 11%，表面积相当于地球陆地面积，密度则比其他三颗类地行星还要小很多。

长期观测火星发现，南半球地势比北半球高，北极盆地显示有过大撞击，推论约 45亿年前遭冥王星大小天体撞击之后，不但形成火卫一和火卫二，亦逼使内核热能散溢出上地幔、内部搅拌逐渐停止，无法以发电机原理持续对流生成磁场。由于火星比地球小，相对表面积与体积成反比而较大，因此火星核心也冷却得比地球的快，地质活动趋缓，磁场和板块运动消逝，太阳风带走大气变薄导致气压偏低，而造成液态水在低温就会沸腾、无法稳定存在。

火星有两个天然卫星——火卫一（Phobos）与火卫二（Deimos），最长直径各为 27公里和16公里，形状不规则并充满撞击坑，以近圆形的轨道于接近火星赤道面处公转。它们虽然很小，但由于接近火星，使火卫一从火星上看约有满月直径的二分之一至三分之一大，而视星等火卫一可达 -7，火卫二可达 -5，白天可能可见。和月球一样，这两颗卫星都被火星潮汐锁定，因此他们总是以一面对着火星。火卫一的公转周期比火星自转更快，所以在火星上来看是西升东落的，且只花了约 4 个小时；而火卫二的公转周期只比火星自转慢一些，东升西落要花约 2.4 个火星日。因为火卫一离火星很近，火星的潮汐力会慢慢但稳定地减小它的轨道半径，预计再过约 760 万年，火卫一将因轨道低于 3620 公里，也就是火星的洛希极限而被瓦解。另一方面火卫二因为离火星足够远，所以它的轨道反而正在慢慢地被推远。

两卫星可能是捕获的小行星，但新研究认为可能是撞击事件、或原本的卫星被火星潮汐力拉碎后，由散布轨道上的岩屑再度吸积而形成。

两颗卫星是在 1877 年被阿萨夫 • 霍尔发现的，以希腊神话中的福波斯和得摩斯命名，两者皆为战神阿瑞斯的儿子。