在平時，火星的大氣清澈，便於觀測。火星表麵有明有暗，明亮而呈桔黃色的區域，約占火星總麵積的83％，稱為火星的“大陸”或沙漠區域。暗的區域稱為“海洋”，其顏色常常隨季節的變化而變化。有人認為這是火星表麵較為潮濕的地帶。
通過對火星的探測，發現火星的表麵被一個大約同赤道傾斜成30°的大圓分開，形成了南北兩個截然不同的半球。南半球的表麵崎嶇不平，密布著環形山，其中最大的一個是海臘斯盆地，它的直徑有1600千米，深度至少有4千米。這些環形山，可能是早期形成的，所以在南半球就保留了古老的地表。而北半球與南半球不同，它表麵較為平坦，以火山熔岩平原為特征，其中點綴著一些死火山。看來死火山口過去曾是熔岩的出口，由於熔岩順著火山側麵流下，就形成了以火山口為中心向四方延伸的輻射狀地形。火山熔岩的分布麵積，廣達數百千米。北半球的環形山，要比南半球少，地勢也普遍比南半球低。在火星表麵位於赤道地區的峽穀，是很引人注目的。最大的一個是赤道以南的“水手穀”，在赤道地區延伸5000多千米，比周圍的地麵要低6千米。一般說來，穀壁是很陡峭的，可以看出崩塌和陷落的痕跡。
火星的表麵還有不少幹河床，主要的一些大河床也分布在赤道地區，其中最長的有1500千米，寬達200千米。大河床和它的支流形成脈絡清楚的水道係統。在幹河床中還可以找到淚滴形的小島、沙洲和辮子形狀的水紋。有的學者根據這種現象，認為在曆史上火星曾有過溫暖時期，甚至有過大量的水在河床中流動，可能是後來火星上的氣候有了劇烈的變化，火星的表麵才留下了這些幹河床。不過，這些幹河床，與曾經轟動一時的火星上有“運河”的說法完全是兩回事。
“水手”號和“海盜”號探測器，對火星兩極的白色極冠也進行過多次考察。考察的結果表明，極冠是水和二氧比碳的凝結物。冬季時極冠的麵積擴大，在最大時極冠能覆蓋到606的緯度處。但一到春天，極冠開始變小。把探測器拍下的大量火星照片拚合在一起，就可看到火星的全貌。極冠不是整塊的，可以看到向左旋轉的螺紋。而且極冠在分層的結構，在冰層的邊緣形成一係列的台階，各層的厚度達10～50米。
火星表麵的平均溫度，比地球低30℃以上。火星晝夜溫度常常相差100℃。在赤道附近，最高溫度可達20℃左右，但到了夜間，溫度很快下降，在黎明前最低溫度降到零下80℃以下。火星的兩極地區溫度更低，在長長的極夜裏，溫度下降到零下139℃。
對於人們一直關注的有沒有生命和“火星人”的問題，通過“水手”號探測器的探測，特別是“水手9號”拍攝的照片，已經表明“運河”是不存在的。“海洋”顏色隨季節在變化，是由於氣象上的原因造成的。大量的火星照片還表明，火星是一個極其荒涼的世界，而且大氣非常稀薄，沒有水，又很冷，是不適宜生命生存的，就更不可能有“火星人”了。
在1976年7月20日，“海盜1號”降落在火星的北緯22°27′、西經480地區的一個平原上，當時還是火星夏季結束的時候，白天的溫度在零下30℃，夜間降到零下86℃。當年的9J13日，“海盜2號”跟隨而來，降落在北緯45°的賽多尼亞地區。它們都是為了探測火星上有沒有生命而來的，它們在火星上的著陸點，都是經過選擇的，即在估計水分較多，存在生命的可能性較大的地方。“海盜”號在火星上當場取樣，進行生物化學等多種試驗，沒有發現有生命的跡象。如果火星上有過生命的存在，哪怕是有過低等植物的存在，在火星的土壤中也會有生命的痕跡，但連這種跡象都不存在。這就斷定“火星人”是根本不存在的。
“海盜”1號和2號，還從離地球3～4億千米的火星上，發回數以萬計的照片，從照片上看到了火星上茶紅色的沙漠風光和風蝕地貌。火星的天空也是紅的，一般都認為這是由於土壤微粒在天空飄浮著，而把太陽光散射的緣故。
這些照片經計算機校正後，拚成了火星的詳細地圖，分辨率可達40米，這對我們了解火星的氣象和地質等等，都是很有價值的。美國地質調查局在1978年刊發了1：2500萬的火星地質圖，在長121厘米、寬91厘米的圖上，最古老和最新的岩石、平原、火山、河床、峽穀和環形山等地形，都詳細的表示出來。