Le analisi delle sonde spaziali automatiche che sono discese su Marte o sono state poste in orbita attorno al pianeta hanno rivelato che l'atmosfera marziana è irrespirabile per noi terrestri. Essa è composta per il 95% da anidride carbonica, per il 2,7% da azoto, per l'1,6% da argon, e da tracce di altri gas come ossido di carbonio, ossigeno, vapor d'acqua, ozono, ecc. Si tratta di un'atmosfera molto sottile che, alla superficie del pianeta, esercita una pressione di appena 1/150 rispetto a quella terrestre. E' proprio la bassa pressione atmosferica a non permettere l'esistenza di acqua allo stato liquido su Marte: se mai ve ne fosse, infatti, entrerebbe subito in ebollizione ed evaporerebbe. L'unico stato fisico dell'acqua compatibile con le basse pressioni della superficie di Marte è il ghiaccio: ecco perché esistono due calotte polari formate da ghiacci a base di acqua e di anidride carbonica. Nelle stagioni fredde, quando la temperatura di Marte scende al di sotto del punto di condensazione dell'anidride carbonica, le calotte si estendono notevolmente; nelle stagioni calde, invece, si riducono fino quasi a scomparire. La maggior distanza di Marte rispetto al Sole causa temperature molto basse rispetto a quelle terrestri. La temperatura media al suolo marziano è di 40 °C sotto lo zero. Ma a mezzogiorno d'estate si raggiungono anche i 10 o i 20 °C sopra lo zero, per poi scendere a -70 °C durante la notte. Esiste inoltre una differenza notevole fra le temperature equatoriali e quelle polari e ciò crea, soprattutto durante l'inverno, potenti aree di bassa pressione che scatenano uragani, i quali trasportano le abbondanti sabbie e polveri dalla superficie fino a 30 km d'altezza, oscurando per mesi intere regioni. Questi venti causano imponenti fenomeni di erosione e rideposizione. In corrispondenza di alcune regioni, soprattutto quelle polari, sono stati osservati immensi campi di dune. Alcuni studiosi hanno avanzato l'ipotesi che, in passato, il pianeta avesse un'atmosfera più spessa e densa di quella attuale, che permetteva l'esistenza di acqua allo stato liquido: si spiegherebbero così i letti dei fiumi, ormai prosciugati, scoperti dalle sonde americane Mariner e Viking. Le sonde spaziali hanno anche osservato formazioni nuvolose a base di acqua ghiacciata o di ghiaccio secco (anidride carbonica congelata). Si ritiene che esse siano dovute all'evaporazione dei ghiacci polari e dei permafrost. I componenti chimici di queste nuvole sarebbero dissociati dalla radiazione ultravioletta (ultravioletto): l'idrogeno sfuggirebbe dall'atmosfera mentre l'ossigeno, ricombinandosi con altri elementi, darebbe luogo a quei processi di ossidazione del terreno che rendono rossastra la superficie di Marte.