地球轨道外侧的近邻就是火星，是最典型的类地行星，肉眼看上去，荧荧如火，发出暗红色的光芒。天文学家对火星进行了多方面的观测研究，特别是近30多年来，空间探测器对火星进行逼近、环绕和着陆等多种实地考察探测，收集到极详细的火星资料，证实火星的表面异常荒凉。
火星表面干燥荒凉，其中75％布满了沙漠，土壤成分是硅酸盐、褐铁矿等铁氧化物，其中氧化硅约占45％，氧化铁约占18％，氧化镁约占8％，氧化钙约占6％等。火星表面的土壤和沙石中含有这么多红色的铁、硅酸盐和其他金属的氧化物，这些物质在阳光的照射下呈现出引人注目的红色光辉，所以远远看去，火星是一个橙红和棕红的世界。火星上环形山遍布，峭壁峡谷相互交织。最庞大的火山是奥林匹斯火山，火山口直径为600千米，高达26千米，是地球上珠穆朗玛峰的3倍。火星赤道以南有一条巨大的峡谷，名叫“水手谷”，它由许多峡谷组合而成，长4000千米以上，宽100～300千米，最深处达7千米。此外，火星表面到处可见沙丘和干枯的河床。奇特的河床纵横交错，有数千条之多，其中最长的达1500千米，宽60千米。这表明，大约30亿年前，火星上曾发生过特大洪水。
火星大气非常稀薄，表面气压只有地面气压的0·6％，在一些火山的顶峰上只剩下0·1％。由于空气稀薄，对外交换的热量小，所以昼夜温差常常超过100℃，远大于地球上昼夜温差的幅度。火星大气里由温差引起的气流速度很快，达到30～60米/秒，经常刮起表面的尘土形成强烈的沙尘暴，所以季节性、周期性的沙尘暴成为火星上奇异的景观。差不多一个火星年，即每当火星位于近日点附近时，南半球正值夏季，烈日形成的强大气流卷起沙尘，就要发生一次大的沙尘暴。尘暴开始于南半球，然后迅速蔓延，乃至席卷整个火星。大的尘暴来临时所形成的尘埃云，可持续数月之久。特大尘暴发生时，风速可达180米／秒，几乎是地球上12级台风的6倍。据估计，一次火星大尘暴扬起的尘埃总量可以达到100亿吨，火星上空数千米被滚滚黄尘所笼罩。1971年，“水手9号”在环绕火星运动时恰逢尘暴，无法观测火星表面，于是退居到轨道上等待。
火星南、北极区的白色覆盖物，称为“极冠”。它是荷兰学者惠更斯于17世纪发现的。用望远镜观测，极冠的大小随火星的季节而变化，冬天增大，夏天消融。空间探测表明，极冠主要由凝结的二氧化碳干冰和部分水冰构成，温度为-70～-139℃，而且有分层结构，每层厚度为10～50米。科学家认为，可能是因为火星气候的冷暖交替致使极冠的冻结和融化而形成的。
