지형
화성의 좌표를 설정하기 위하여서는 자오선과 0점 고도가 정해져야 합니다. 화성에는 바다가 없기 때문에, '해수면'이 없어서, 0점 고도면이나 평균 중력 표면이 임의의 지점으로 선택될 수밖에 없습니다. 또한 적도와는 달리 경도의 기준점은 임의로 선택이 가능하기 때문에 공통된 규약을 정할 필요가 있습니다. 그리하여 임의적으로 사이너스 메리디아니(Sinus Meridiani, 적도만) 안의 분화구가 0점 자오선을 나타내는 것으로 선택되었습니다.
화성 지형의 몇 가지 기본적인 특징은 다음과 같습니다. 화성은 극지방이 얼음과 이산화탄소를 포함하는 얼음 지대로 덮여 있습니다. 또한 화성에는 발레스 매리너리스(Valles Marineris) 또는 화성의 흉터라고 불리는 태양계에서 가장 큰 [협곡 지대]가 있습니다. 이 협곡 지대는 4000km의 길이에 깊이는 7km에 이릅니다.
화성은 밀도가 낮은 물질로 중첩된 고밀도 금속 중심부로 분화했습니다. 현재 핵의 반지름이 약 1,794 ± 65km(1,115 ± 40 mi)이며, 유황 16–17%의 철과 니켈로 구성됩니다. 이 황하 철 핵은 지구의 핵보다 가벼운 원소가 두 배 더 많다고 추측됩니다. 중심부는 규산염 맨틀로 둘러싸여 있어 많은 지각과 화산 형상을 형성했지만, 휴면상태로 보입니다. 실리콘과 산소 외에 화성 지각에서 가장 풍부한 원소는 철, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘, 칼륨입니다. 화성 지각의 평균 두께는 약 50km(31mi)이며, 최대 두께는 125km(78mi)입니다. 참고로 지구의 지각은 평균 40km(25mi)입니다.
화성 북반구와 남반구 지형의 비대칭성은 매우 인상적입니다. 북쪽 부분은 용암층이 흘러내림으로 인해 평평하고, 남쪽은 고지대에 오래 전의 충격으로 인해 구멍이 파이고 분화구가 생겨나 있습니다. 지구에서 본 화성의 표면은 확실히 두 부분의 구역으로 나뉘어 있습니다. 먼지와 산화철이 섞인 모래로 뒤덮인 좀 더 창백한 부분은 한때 '아라비아의 땅'이라 불리며 화성의 대륙으로 여겨졌고, 어두운 부분은 바다로 여겨졌습니다. 지구에서 보이는 가장 어두운 부분은 시르티스 메이저입니다. 화성에서 가장 큰 분화구는 헬라스 분지인데, 가벼운 붉은 모래로 덮여 있습니다.
대기
화성의 대기압은 0.6에서 1.0kPa로, 지구의 대기 밀도와 비교하면 1/100 정도로 매우 낮습니다. 대기가 적으므로 기압이 매우 낮고 물이 있더라도 기압 때문에 빨리 증발하게 됩니다. 과학자들은 과거의 화성은 물이 풍부하고 대기도 지금보다 컸으리라고 추측합니다. 대기의 주성분인 이산화탄소가 얼어 거대한 극관을 형성하는 과정이 양극에서 교대로 일어나고 이산화탄소는 눈층을 형성하고 봄이 되면 증발합니다.
기후
자기권
아주 오래전 화성은 태양풍을 막을 수 있을 만큼 충분히 강한 자기권을 가지고 있었으리라 여겨집니다. 그러나 40억 년 전 화성의 다이나모가 멈추고 난 뒤에는 투자율이 높은 광물에 잔류자기가 남아있는 정도밖에는 자기장을 가지고 있지 않습니다. 시간이 지남에 따라 이런 광물은 풍화되었기 때문에 현재는 남반구의 고지의 일부에서만 고지자기를 관측할 수 있습니다. 태양풍은 화성의 전리층에 직접 닿기 때문에 화성의 대기는 조금씩 벗겨져 나가고 있다고 여겨지나 그 양은 아직 확실하지 않습니다. 마스 글로벌 서베이어와 마스 익스프레스는 화성이 지나간 자리에 남아있는 이온화된 대기의 입자를 탐지하였습니다.
공전과 자전
화성의 궤도 이심률은 약 7%로 상대적으로 큰 편입니다. 태양계에서 이보다 더 이심률이 큰 궤도를 가지는 행성은 수성밖에 없습니다. 태양까지의 평균거리는 약 2억 2천만 km(1.5 천문단위)이며, 공전 주기는 686.971일입니다. 화성의 태양일은 지구보다 약간 길어서 24시간 37분 22초 정도입니다.
화성의 자전축은 25.19도만큼 기울어져 있어서 지구의 기울기와 거의 비슷합니다. 그 결과 화성에서는 지구와 마찬가지로 계절이 나타납니다. 하지만 공전 각속도가 느리기 때문에 계절의 길이는 지구에 비해 약 2배정도 됩니다.
위성
포보스(Phobos)와 데이모스(Deimos)가 화성의 위성입니다. 이들은 늘 달 쪽으로 같은 면을 향하고 있습니다. 포보스의 화성 주위 궤도가 화성 자체가 자전하는 속도보다 빠르며 아주 서서히 그러나 꾸준히 화성에 가까워지고 있습니다. 언젠가 미래에는 포보스가 화성 표면에 충돌하게 될 것이라고 예측합니다. 반면에 데이모스는 충분히 멀리 떨어져 있고 서서히 멀어지고 있습니다.
두 위성은 모두 1877년 미국인 천문학자 아사프 홀(Asaph Hall)이 발견했고, 그리스 신화에 나오는 마르스의 두 아들의 이름을 따 명명되었습니다.
관측의 역사
기원전 1600년경에 화성에 대한 관측이 시작되었다고 여겨지며, 화성은 불과 같이 붉게 빛나고 다른 천체와 달리 하늘에서 이상하게 움직인다고 알려졌습니다.
바빌로니아인은 이미 기원전 400년경에 천문현상을 연구했었으며 일식, 월식과 같은 천문현상을 예측하기 위해 고도로 발달된 방법을 사용하였습니다. 그들은 그들의 달력과 종교적인 이유에서 그들을 주의깊게 연구하였습니다. 그러나 그들이 목격한 현상에 대해서 깊게 분석한다거나 설명하려고 하지는 않았습니다. 바빌로니아인들은 화성을 네르갈(Nergal, ‘위대한 영웅’ 또는 ‘전쟁의 왕.’ 원뜻은 ‘커다란 집의 주인’)이라 불렀습니다.
이집트인은 별이 “고정된” 듯이 보이며, 태양이 고정된 별에 대하여 상대적으로 이동한다고 생각했습니다. 또한 그들은 하늘의 5개의 빛나는 천체가 고정된 별 사이를 움직인다는 것을 알았습니다. 이집트인은 화성을 Har Decher(붉은 것) 혹은 '죽음의 별'이라고 불렀습니다.
그리스인은 화성을 전쟁의 신의 이름을 따서 아레스(Ares)라고 불렀습니다. 로마에서도 이 이름을 그대로 번역하여 화성을 마르스(Mars)라고 불렀고, 이는 지금까지 화성의 영어 이름으로 존재하게 됩니다. 화성의 기호는 마르스의 방패와 칼로 여겨집니다.
조반니 스키아파렐리(Giovanni Virginio Schiaparelli, 1835년~1910년)는 1877년, 화성에서 "canali"로 보이는 것이 발견되었다고 발표했습니다. 이 단어는 이탈리아어로 "운하들"을 뜻하며 영어로는 "canals, waterways"가 됩니다. 당시 수에즈 운하도 건설되던 차 화성 탐사 열풍이 시작되었습니다.
※ 동양의 고대기록에는 낮에 화성을 본 것이 있으나, 검증결과 금성의 착오였으며, 화성을 낮에 맨 눈으로 본다는 것은 사실상 불가능합니다.