哈伯太空望远镜所见的火星
火星（英语、拉丁语：Mars），是离太阳第四近的行星，为四颗类地行星之一。在英语中火星被称为玛尔斯（Mars，意思是战神），古汉语中则因为它荧荧如火，位置、亮度时常变动让人无法捉摸而称之为荧惑。火星在视觉上呈现为橘红色是由其地表所广泛分布的氧化铁造成的。无论是质量还是体积，在太阳系的八大行星中，火星比水星略大，为第二小的行星。火星的直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期则与地球相当，但绕太阳公转一周则需花费约两倍于地球的时间。英文里前缀areo-即为火星。
在1965年水手4号首次飞掠火星之前，很多人猜测火星上有液态水，因为望远镜观测到的明暗特征犹如陆地和海洋，而一些细长条纹则被认为是灌溉用的运河。虽然之后证实细线并不存在，可能只是错视，但火星已经证实有液态水，甚至生命。火星快车号和火星侦察轨道器的雷达资料显示两极和中纬度地表下存在大量的水冰。2008年7月31日，凤凰号直接于表土之下证实水冰的存在。2013年9月26日，火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至 3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。2015年9月证实火星有间歇流动的液态水（液态盐水）。
火星目前有四艘在轨运行的探测器，分别是火星奥德赛号、火星快车号和火星侦察轨道器以及刚抵达的MAVEN轨道器，数量是太阳系内除了地球以外最多的。地表还有很多火星车和着陆器，包括两台火星探测漫游者：勇气号和机遇号，和最近结束任务的凤凰号。根据观测的证据，火星以前可能覆盖大面积的水。亦观察到最近十年内类似地下水涌出的现象。火星全球勘测者则观察到南极冠有部分退缩。
火星有两个天然卫星：火卫一和火卫二，形状不规则，可能是捕获的小行星。在地球，火星肉眼可见，亮度可达-2.9，只比金星、月球和太阳暗，但在大部分时间里比木星暗。
火星的火红色，自古就吸引着人们，希腊人称为战神。此时火星观测和其他天体般，大部分是为了占星，而后渐渐涉及科学方面，如开普勒探索行星运动定律时是依据第谷积累的大量而精密的火星运行观测资料。
各时期的火星观测
望远镜出现后，人们对火星可以进行更进一步的观测。使用望远镜观测星空的伽利略所见的火星只是一个橘红小点，然而随着望远镜的发展，观测者开始辨别到一些明暗特征。惠更斯依此测出火星自转周期约为24.6小时，而他亦为首次纪录火星南极冠的人。一开始由于各人各自观测，意见不一致，地名也未统一（例如用绘制者名字命名）。后来意大利的乔范尼·斯基亚帕雷利统合了各家说法而绘制了地图，地名取自地中海、中东等的地名和圣经等作为来源，而其余则依照旧有的观念：暗区被认为是湖（lacus）海（mare）等水体，如太阳湖、塞壬海、明显的暗大三角——大瑟提斯；而亮区则是陆地，如亚马逊。这个命名系统一直延续下来。
当时，斯基亚帕雷利和同期观测者一样，观察到了火星表面似乎有一些从暗区延伸出的细线，因为对于暗区是水体的传统，这些细线命名为水道（canali）。而后来观察到暗区会在冬季时缩小、夏季时扩张，有人提出暗区是植物覆盖、而暗区的扩大缩小则是消长所引起的，改变以往认为暗区是水的说法。帕西瓦尔·罗威尔观察到并宣称那些“水道”其实是人工挖掘的“运河”，用来灌溉植物，因为水道应太细不可见，而看到的细线应是灌溉出的大片植物。风靡大众的火星科幻和火星人即源于此。不过这些细线大多已证明是不存在的，部分则是峡谷或陨石坑后延伸出的深色沙子。而火星表面颜色的改变则是因为沙被风吹移，或发生火星尘暴。
到了太空时代，水手4号传回的充满陨石坑的火星照片粉碎了人们对火星文明的幻想，认为火星只是一处如月球般布满陨石坑的死寂星球。但随着往后水手9号等的巨大峡谷、火山和疑似流水遗迹的发现，火星的独特性、液态水和生命的可能又重新引起人们的兴趣。
火星直径约是地球的一半，体积为15%，质量为11%，表面积相当于地球陆地面积，密度则比其他三颗类地行星还要小很多。 以半径、质量、表面重力来说，火星约介于地球和月球中间：火星半径约为月球的两倍、地球的一半，质量约为月球九倍、地球的九分之一，表面重力约为月球的2.5倍、地球的2.5分之一。
自转与公转
火星与太阳平均距离为1.52AU，公转周期为687地球日，1.88地球年（以下称年），或668.6火星日。平均火星日为24小时39分35.244秒，或1.027491251地球日。
火星自转轴倾角为25.19度，和地球的相近，因此也有四季，只是季节长度约为两倍。由于火星轨道离心率大，为0.093（地球只有0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。2009年10月26日为北半球春分，2010年5月13日为夏至，目前北半球处春季。
火星轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9万6千年和2.1百万年，于0.002至0.12间变化；而地球的是十万年和41.3万年等，于0.005至0.058间变化（见米兰科维奇循环）。目前火星与地球最短距离正慢慢减小。至于自转轴倾角，火星目前是25.19度，但可由13度至40度间变化，周期一千多万年，不像地球的稳定处于22.1和24.5度间，是因为火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴。也因没有大卫星的潮汐作用，火星自转周期变化小，不像地球的会被慢慢拉长，因此现今两行星的自转周期相近只是暂时现象。
地质
火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。
火星地表地貌大部分于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，两极皆有主要以水冰组成的极冠，而上覆的干冰会随季节消长。
基于撞击坑密度的撞击坑计数法可判别出地表年龄：撞击坑大而密集处较老，反之则年轻，进而将地质年代分为四个阶段：前诺亚纪、诺亚纪、赫斯珀利亚纪和亚马逊纪。前诺亚纪没有留下实质地表，此时地形南北差异形成，有全球性磁层；诺亚纪有大量陨石撞击，火山活动旺盛，可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋，侵蚀旺盛，但到末期这些活动已减弱很多；赫斯珀利亚纪，火山活动仍然继续；亚马逊纪则是大气稀薄干燥，以冰为主要活动，如极冠、冰冻层、冰河，并有周期性变迁，沟壑也是这时期形成，火山活动趋缓并集中在塔尔西斯与埃律西昂。
由于火星比地球小，相对表面积与体积成反比而较大，因此火星核心的冷却得比地球快，地质活动趋缓，磁场和板块运动消逝，大气变薄使液态水无法稳定存在。
现今火星风成地形遍布，如吹蚀、磨蚀等风蚀作用，和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。前者形成如广泛分布于梅杜莎槽沟层的风蚀脊，后者则如大瑟提斯高原上撞击坑下风处的沙尘堆积，和撞击坑中常见的沙丘。
2012年8月，加利福尼亚大学洛杉矶分校的教授尹安在分析了100张来自火星勘测轨道飞行器的卫星图片后发现，火星有类似地球主要板块划分的构造特点。
古瑟夫撞击坑充满沙石的地表
Endurance撞击坑中的沙丘
地理
火星和地球一样拥有多样的地形，有高山、平原和峡谷。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，南方则是充满撞击坑的古老高地，而两者之间以明显的斜坡分隔；火山地形穿插其中，众多峡谷分布各地，南北极有以水冰与干冰组成的极冠，而风成沙丘广布整个星球。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。
20世纪早期地面以无线电波测量火星地形。1976年海盗号进行的地形测量，发现了峡谷和南北半球的巨大差异，而衍生出北方平原本是海洋的假说。火星全球勘测者自1999年起以激光进行更精确的地形测量，得出目前使用的全球地形图，以火星大地水准面（Areoid）为基准，最高点在奥林帕斯山，高21,229米；最低点在希腊平原，低于基准8,200米。现在很多探测器如火星勘察卫星、火星快车号和火星探测漫游者运用航照图的地形判别方法，以视差法来测量区域地形，并制成高分辨率立体照片。
火星的经度坐标采用东经0至360度，不是地球的东西经各180度。
来自火星奥德赛号上热辐射成像系统（THEMIS）的影像显示阿尔西亚山北坡有七个可能的深洞，照片中光线无法抵达底部，推测底部可能更深、更宽，可能免受微陨星、紫外线、太阳闪焰和其他高能粒子的侵害，可能是未来寻找液态水或生命痕迹的可行地点。但后来火星勘察卫星的更高分辨率HiRISE影像部分推翻了之前猜测，认为只是光线角度造成深不见底的样子。
大气
十八世纪自地面望远镜观察到云，显示火星拥有大气层。自地面的光谱测量发现大气主要为二氧化碳。1960年代水手4号、6号和7号亦证实此结果，但测出平均地表气压只有6百帕，小于地球表面气压的1%，相当于地球表面算起35公里高的气压，如此低的气压使声音传播的距离只有在地球上的1.5%。[随着二氧化碳与水汽量的季节变化，气压变化可达20%。由于火星比地球离太阳远，日射量较少，表面温度应较低，计算值约210K，但实际观测地表平均约240K，则是因为大量的二氧化碳所造成的温室效应。由于大气层很薄，无法保留很多热，使地表日夜温差很大，某些地区地表温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃。
大气成分为95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%氩气，很少的氧气、水汽等，亦充满着很多悬浮尘埃，吸收蓝光使天空成黄褐色。2003年火星大冲时地面望远镜在大气中发现了甲烷；2004年3月，火星奥德赛号确认了这一发现。由于甲烷易被紫外线分解，存在甲烷表示现在或者最近几百年内在火星上存在制造甲烷的来源，火山作用、地质作用、彗星或小行星撞击甚至生物来源如甲烷古菌等都有可能。
2013年9月19日，根据从好奇号得到的进一步测量数据，NASA科学家报告，并没有侦测到大气甲烷（atmospheric methan）存在迹象，测量值为0.18±0.67 ppbv，对应于1.3 ppbv上限（95%置信限），因此总结甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不会排出任何甲烷，仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。
由太空所见的火星稀薄且充满尘埃的红色大气层。左下方是阿尔及尔平原。
气候
火星自转轴有明显倾斜，日照的年变化形成明显的四季变化，而一季约为地球的两倍长。虽然火星没有地球般受海洋影响的复杂气候，但仍有以下特殊之处：火星轨道离心率比地球大，造成日射量在一年当中变化更大，位于近日点时，南半球处夏季，比北半球远日点夏季所造成的升温更强；随季节交替，二氧化碳和水汽会升华和凝结而在两极冠间迁移，驱动大气环流；地表反照率特征，因颜色深浅和沙、岩性质差异而造成的热惯量（thermal inertia）不同，可影响大气环流；易发生的尘暴会将沙尘粒子卷入高空，沙尘粒子吸收日光与再辐射会使高层大气增温，但遮蔽天空的沙尘会使地表降温；自转轴倾角和轨道离心率的长期变化则造成了气候的长期变迁。火星表面的平均温度比地球低30度以上。
水文
火星地表遍布着流水的遗迹，有些是洪水刻画而成，有些则是降雨或地下水流动而形成，但多半年代久远。冲蚀沟（gullies）则是另一类规模较小的地形，但形成年代十分年轻，常分布于撞击坑壁，型态多样。关于成因有两派说法，一派认为是由流动的水造成，另一方则认为是凹处累积的干冰促使了松软物质滑动。
北极初夏的冰盖(1999年)
南极仲夏的冰盖(2000年)
火星南北极有明显的极冠，曾被认为是由干冰组成，但实际上绝大部分为水冰，只有表面一层为干冰。这层干冰在北极约1米厚，在南极则约8米厚，是冬季时凝华而成，到夏季则再度升华进入大气，不过南极的干冰并不会完全升华。夏季仍存在的部分称为永久极冠，而整体构造称做极地层状沉积（Polar Layered Deposits），和地球南极洲与格陵兰冰层一样为一层层的沉积构造。北极冠宽达1,100公里，厚达2公里，体积82.1万立方公里；南极冠宽达1,400公里，最厚达3.7公里，体积约1.6百万立方公里。两极冰冠皆有独特的螺旋状凹谷，推论主要是由光照与夏季接近升华点的温度使沟槽两侧水冰发生差异融解和凝结而逐渐形成的。
2011年由火星勘察卫星的浅地层雷达发现南极冠有部分原本认为是水冰的地层其实是干冰，所含二氧化碳量相当于大气含量的80%，这比以往认为的要多很多。根据此的模拟结果，十万年一周期的气候变迁中借由干冰升华、凝结，大气总质量的变化幅度会达数倍。由这些干冰沉积上方地表的下陷与裂隙判断，干冰正在慢慢升华。
一处疑似冰河的地形
自海盗号即发现，火星北半球中纬度有几处峡谷底含有条纹流动状的地表特征，但不确定是富含冰的山崩、含冰土的流动或是尘砾覆盖的冰河。但根据更新任务的资料与比对地球的相关地形，支持这些是冰河，且推测是自转轴倾角较大时的气候状态下所累积的。
由火星奥德赛号X射线光谱仪的中子侦测器得知，自极区延伸至纬度约60°的地方表层一米的土壤含冰量超过60%，推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere）。
另外一个关于火星上曾存在液态水的证据，就是发现特定矿物，如赤铁矿和针铁矿，而这两者都需在有水环境才能形成。
对于于火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。2008年7月31日，美国航空航天局科学家宣布，凤凰号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生，从而最终确认火星上有水存在。
2013年9月26日，美国航空航天局科学家报告，火星探测车好奇号发现火星土壤含有丰富水分，大约为1.5至 3重量百分比，显示火星有足够的水资源供给未来移民使用。
2015年9月28日，美国航空航天局宣布，在火星上发现液态的盐水。根据火星勘测轨道飞行器配备的光谱仪获得的数据，研究人员在火星的神秘斜坡上发现了水合矿物。这些暗色条纹表明火星地表随时间变化有流水存在。 在较温暖的季节，这些线条的颜色变得更深，表明水流在斜坡上出现，在较冷的季节，这些地表特征变浅。在火星的部分地区，最高温度可以达到摄氏零下23度，此时深色线条最明显。
卫星
火卫一（左）和火卫二（右）大小比较（合成图）。
火星有两个天然卫星——火卫一（Phobos）与火卫二（Deimos），最长直径各为27公里和16公里，形状不规则并充满撞击坑，以近圆形的轨道于接近火星赤道面处公转。它们虽然很小，但由于接近火星，使火卫一从火星上看约有满月直径的二分之一至三分之一大，而视星等火卫一可达-7，火卫二可达-5，白天可能可见。和月球一样，这两颗卫星都被火星潮汐锁定，因此他们总是以一面对着火星。火卫一的公转周期比火星自转更快，所以在火星上来看是西昇东落的，且只花了约4个小时；而火卫二的公转周期只比火星自转慢一些，东昇西落要花约2.4个火星日。因为火卫一离火星很近，火星的潮汐力会慢慢但稳定地减小它的轨道半径，预计再过约760万年，火卫一将因轨道低于3620公里，也就是火星的洛希极限而被瓦解。另一方面火卫二因为离火星足够远，所以它的轨道反而正在慢慢地被推进。
两卫星可能是捕获的小行星，但新研究认为可能是撞击事件、或原本的卫星被火星潮汐力拉碎后，由散布轨道上的岩屑再度吸积而形成。
两颗卫星是在1877年被阿萨夫·霍尔发现的，以希腊神话中的福波斯和得摩斯命名，两者皆为战神阿瑞斯的儿子。
近代探测
第一个飞掠火星的是美国国家航空航天局的水手4号，于1965年飞掠。第一个环绕火星的则是水手9号，于1971年进入火星轨道，也成为第一个环绕其他行星的探测器。1971年苏联火星计划火星2号的登陆器坠毁后数日，相同的火星3号的登陆器成功登陆火星，为第一个成功登陆火星的探测器，但登陆十几秒后即失去联系。1975年NASA发射海盗号，包括两组轨道卫星和登陆器。海盗1号和2号轨道卫星各运作了六年和三年。两个登陆器皆于1976年成功登陆，传送了第一张火星地景的彩色照片，而轨道卫星也绘制了很好的火星地图，甚至到今天都还在使用。
苏联的弗伯斯1号、2号于1988年发射以探测火星和两个卫星。弗伯斯1号于抵达前失联，而弗伯斯2号虽然成功拍摄了火星和火卫一，但在准备要放出两艘登陆器到火卫一之前失联。
在1992年火星观察者失败后，NASA于1996年11月发射了火星全球勘测者，且任务非常成功。它在2001年即完成了原订的地图绘制工作，并三次延长任务，直到2006年11月2日失联而结束，总计共花了10年在太空中工作。在火星全球勘测者发射一个月后，NASA发射了火星探路者，包括了一个登陆器和漫游车——旅居者号（Sojourner），于1997年7月登陆在阿瑞斯峡谷。这任务也很成功，且也很知名，部分是因为传回的大量照片。
NASA的火星勘测98计划于1998、99年发射了火星气候卫星与火星极地登陆者，前者预计研究气候、水与二氧化碳等，后者则预计于南极登陆，船上的搭载深空2号则计划于火星极地登陆者进入大气时释放，直接降落穿入地表进行研究。但整个计划在2000年到达火星时失败。
NASA于2007年8月发射凤凰号，于2008年5月登陆在火星北纬68度的极区。凤凰号登陆器有一支可伸及2.5米的机械手臂，且可挖掘土壤1米深。有搭载一座显微镜，分辨率达人类头发宽度的千分之一。2008年6月20日确认2008年6月15日发现的地表白色物质为水冰。2008年11月10日进入冬季而无法继续联系凤凰号，任务结束。
2001年NASA发射了2001火星奥德赛号，任务成功进行并延续到2010年9月。船上的伽玛射线光谱仪于地表下一米内侦测到大量的氢，也就是大量的水分子。
2003年欧洲空间局发射了火星快车号，包括轨道卫星和登陆器——小猎犬2号，而小猎犬2号于2004年2月降落时失败。2004年船上的行星傅立叶光谱仪于大气中侦测到甲烷。2006年6月ESA宣布火星快车号发现极光。
2003年NASA发射了两台相同的火星探测漫游者——勇气号（MER-A）和机遇号（MER-B）。两台皆于2004年1月成功登陆并工作超过预定时间。传回的资料中最有价值的大概是两地过去有水的确实证据。尘卷风和风暴偶尔清除了太阳能板上的沙尘，使他们得以超过预定任务时间而继续工作。
2005年8月NASA发射了火星勘察卫星，于2006年3月进入火星轨道展开为期2年的工作。它搭载更进步的通讯系统，带宽比之前任务总和还宽，且传回的资料远多于过去任务的总和。拥有分辨率高达0.3米的相机——HiRISE，拍摄地表和天气以寻找未来任务的适合登陆地点。2008年2月19日拍摄到北极冠边缘的一系列雪崩影像。
2007年2月25日，探测彗星的罗塞塔号近距离飞掠火星并拍照，有拍到很高的云。
2009年2月17日，黎明号飞掠火星以重力助推前往目的地灶神星和谷神星，并在接近火星时拍了照。
中俄合作的火卫一-土壤号与2011年升空，将会送回火卫一土壤样本。而该探测器还将搭载一颗重110公斤的火星探测器，也就中国第一艘无人驾驶火星探测器萤火一号（YH-1），预计乘坐俄罗斯的联盟号运载火箭升空，航程大约10个月。萤火一号主要研究火星的电离层及周围空间环境，火星磁场等。该探测器发射到近地轨道后，因为与地面失去联系变轨失败，探测器的碎片于莫斯科时间2012年01月15日坠落在太平洋海域。
继凤凰号之后，NASA于2011年的发射的火星科学实验室（好奇号），在2012年8月6日05:31UTC成功登陆火星的盖尔撞击坑。它和火星探测漫游者一样是火星车，但更大更快更进步。搭载激光化学检测仪，可在13米外分析岩石组成。比起之前其它火星任务，它携带了更多先进科学仪器。本次任务的总成本达到了25亿美元，是历来最贵的火星探测任务。
2008年9月15日NASA发表了MAVEN任务，预计2013年以各种机器研究火星大气。
芬兰、俄罗斯的合作计划MetNet包括数十个登陆器组成观测网，以研究大气结构、物理和天气。这任务的前导任务将会于2011年先发射一至数个登陆器，有可能是和火卫一-土壤号并在一起发射。往后的发射会持续到2019年。
火星生命
2000年，美国科学家在南极洲发现了一块火星陨石。这是一块碳酸盐陨石，后被编号为ALH84001。美国国家航空航天局声称在这块陨石上发现了一些类似微体化石的结构，有人认为这可能是火星生命存在的证据，但也有人认为这只是自然生成的矿物晶体。直到2004年，争论的双方仍然没有任何一方占据上风。
有证据显示火星曾比今日更适合生命存在，但生命在火星上到底是否真正存在过还没有确切的结论。某些研究者认为源自火星的ALH84001陨石有过去生命活动的证据，但这一看法至今尚未得到公认。另有反对的观点认为，自几十亿年前产生以来，该陨石从未长期处于液态水存在的温度下（因而不会曾有生命活动）。
海盗号曾做实验检测火星土壤中可能存在的微生物。实验只分析了海盗号着陆点处的土壤并给出了阳性的结果，但随后即被许多科学家所否定，而这一结果也仍就处在争议之中。现存生物活动也是火星大气中存在微量甲烷的解释之一，但亦有其它与生命无关的解释。
人类若对外星殖民，由于火星的适宜条件（同其他行星相比，火星最像地球，而且距离相对较近），它将是人类的首选地点。
