火星与地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布。由于重力较小等因素，地形尺寸与地球相比亦有不同的地方。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，南方则是充满陨石坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷亦分布各地，南北极则有以干冰和水冰组成的极冠，风成沙丘亦广布整个星球。而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。
火星上最引人注目的地形特征是干涸的河床。它们多达数千条，长从数百千米到1000千米以上，宽也可达几千米到几十千米，蜿蜒曲折，极为壮观。它们主要集中在火星的赤道区域或附近。河床的存在使科学家们认为，干燥异常的火星曾经有过大量的水。
由美国宇航局(NASA)火星勘测轨道飞行器拍摄的火星表面部分显示，在Hellas撞击盆地的悬崖上，有很多从1米到10米宽的通道。这张照片摄于2011年1月14日，美国宇航局于2011年3月9日发布。在最新发布的论文中，科学家们首次发现，在火星夏季的几个月里，咸水可能会在火星表面流动。研究人员发现，只有在这种情况下才能在火星赤道地区形成盐水的类似结构，切割出狭窄的河道以供水流入悬崖壁。
由美国宇航局、喷气推进实验室(JPL)和亚利桑那大学联合拍摄的图像中，在火星上发现了长达100米的黑暗、狭窄条纹，这些条纹应该是近期流动的水造成的。科学家们已经发现了首批证据，表明在火星夏季的几个月里，咸水可能会在火星表面流动。
在美国宇航局、喷气推进实验室(JPL)和亚利桑那大学共同拍摄的火星加尼陨石坑的墙壁图像，出现了一种叫做“反复出现斜坡”的深色条纹。科学家们已经发现了首批证据，表明在火星夏季的几个月里，咸水可能会在火星表面流动。
2015年1月5日，美国宇航局火星探测轨道器上的高分辨率成像科学实验(HiRISE)照相机拍摄到的照片，显示火星表面上的圆形凹陷。火星探测轨道器2006年3月开始围绕火星运转，并于2015年2月7日完成了其围绕火星轨道的第40000圈绕转。
2013年5月19日，美国宇航局火星探测车“好奇号”在火星Cumberland目标岩石Cumberland上钻出孔洞。好奇号探测器已经在一个古老的岩石样本中发现了含碳化合物，科学家们称，这是首次在地球临近行星表面发现有机物。
2014年7月29日，美国宇航局发送给路透社的照片中显示出“机遇号”火星探测器的身影。机遇号已经创造了新的外太空行走纪录，在火星表面上行驶超过40公里，超过了1973年由俄罗斯月球探测器保持的纪录。
2013年1月15日，美国宇航局“好奇号”火星探测器右臂照相机(Mastcam)拍摄的这张照片显示，火星表面的粗糙球形特征，这一区域被称为“黄刀湾”(Yellowknife Bay)。这些地貌特性被解释为混凝土，暗示它们是在沉积物经过孔隙在水中形成的。以前在火星上的其他岩石上，也发现了球形混凝土。
2013年1月15日，美国宇航局“好奇号”火星探测器右臂照相机(Mastcam)拍摄的照片，显示火星表面的倾斜分层，它们是被称为“沙勒”(Shaler)的露出地表岩层，只有零点几米大小。
2013年1月15日，美国宇航局“好奇号”火星探测器在盖尔陨石坑内的火星表面探查，它驶向一块扁平的岩石，上面有苍白的纹理，这可能为这颗行星上的潮湿历史提供线索。如果好奇号在未来几天里继续前进，它将成为火星科学实验室(Mars Science Laboratory)任务中第一个被钻探的样本。
在美国宇航局火星探测轨道器上的高分辨率成像科学实验(HiRISE)照相机2013年6月27日拍摄的照片中，美国宇航局“好奇号”火星探测器似乎成了蓝色的圆点。从着陆地点“布拉德伯里着陆场”(Bradbury Landing)，好奇号的足迹清晰可见。两个明亮的、相对呈现蓝色的斑点被深色的斑块所包围，那里是火星科学实验室的着陆喷气在着陆地点清除红色的表面灰尘。
2012年9月2日，美国宇航局“好奇号”火星探测器拍摄的照片，在火星表面发现名为“连接”的岩石。这块圆的砾石碎片有几厘米长，其地质特征与沉积砾岩相同，后者是由沉积水形成的岩石构成许多较小的圆形岩石。科学家增强了这个版本的颜色，以显示火星上的场景，因为它将出现在我们地球上的照明条件下，这有助于分析火星地形。
