從1962年11月至1973年8月前蘇聯共發射了7個“火星號”探測器，並依次編號為“火星1號”“火星2號”“火星5號”等。“火星號”探測器的主要任務是探測火星及其周圍空間以及行星際空間。“火星2號”曾把刻有前蘇聯國徽圖案的金屬片投擲在火星表麵；“火星3號”放出著陸艙，首次實現在火星表麵軟著陸；“火星2號”“火星3號”和“火星5號”都先後進入環繞火星的軌道，成為火星的人造衛星。
火星探測器發回的探測結果表明，火星隨季節變化的極冠既有水冰，又有幹冰（固體二氧化碳）。北極冠大部分由水冰構成，南極冠則是由凍結了的二氧化碳構成。據估計，極冠中大約保存有大氣中20％的二氧化碳，而保存的水則比大氣中的要多得多。極冠中的水冰，如果全部融化並均勻分布在火星表麵，就會形成一個10米厚的水層。
火星大氣中常有一種形狀像黃雲的塵暴。局部的塵暴經常出現，大的塵暴在地球上用望遠鏡可觀測到；特別大的塵暴（如1971年的塵暴）能籠罩火星全球，並持續數月之久。塵暴是由火星低層大氣中卷著塵粒的大風構成的。據估計，每次大塵暴覆蓋在火星南半球的塵埃達近千噸之多。
火星表麵的75％都布滿了沙漠，成分是矽酸鹽、褐鐵礦等鐵氧化物，所以遠遠看去，火星是一個橙紅和棕紅的世界。火星的表麵被劃分成兩個截然不同的半球，被一個大約傾斜於赤道30°的大圓所分開。大圓的南部半個球麵崎嶇不平，且布滿環形山；最大的環形山直徑約為1600千米，某些地區環形山的密度可以和月麵相比；大圓的北部半個球麵比較平坦，但也是滿目荒蕪，石塊、沙丘和酷寒的山峰裝點著它的表麵。火星上還有一些火山和峽穀。最大的火山是一座稱為“奧林匹斯之雪”的火山，其底部的直徑約500千米，火山口的直徑也有72千米，大約有25000米高，幾乎是珠穆朗瑪峰的3倍。
“水手9號”發現了火星上最大的峽穀——水手穀，峽穀綿延5000多千米，寬200千米，比周圍地麵低6—7千米，穀壁十分陡峭，它比地球上最大的峽穀——科羅拉多河峽穀（長46千米、深約1．8千米）大得多。火星表麵不存在液態水，但探測到數千條幹涸的河床，最長的達1500千米，寬約60千米。
火星上主要的大河床分布在赤道地區，是由比熔岩流更少粘帶性的液體造成的，說明火星從前曾有過水，美國“海盜號”探測器選擇了生命存在可能性最大的地方著陸，對采取的土樣進行實驗和分析，結果表明火星表麵上存在生命的可能性非常微小。
火星是一個冷酷的、沒有生命的世界。它的內部構造與地球相似，有核、幔和殼。核中含有硫，幾乎全部的鐵都成了硫化鐵。核的半徑約1300—2000千米。外殼由大量矽和鋁及少量鎂等所形成的較輕的岩石組成，厚約50千米。
幹涸的火星
1877年，意大利天文學家斯基帕雷利在對火星進行觀測時，發現火星上有許多縱橫交錯的暗線條，在進一步觀測過程中還發現它們似乎還有季節性變化。消息傳開之後，立即引起了極大的轟動。許多人認為它們是火星上的運河，是“火星人”為灌溉土地而特地開挖的。在長達一個多世紀裏，都有很多人相信火星上有生命和大量的水。
觀測表明，火星上確實存在水，隻是水量比地球上要少得多。如果把火星大氣中所含的水蒸氣全部凝結成水，並把這水平均覆蓋在表麵上，這層水薄膜的厚度大致是1／100毫米。火星大氣中也飄浮著雲，雲的主要成分是水和二氧化碳。
火星大氣很稀薄，氣壓隻有7．5百帕，大體相當於地球高空30—40千米處的大氣壓。在這種環境中，水在0℃就會沸騰，變為蒸汽逃逸掉。火星赤道附近的最高溫度可以達到20℃左右，那裏有可能短時間內存在液態的水。火星表麵的水主要集中在兩極地區，那裏常年的溫度都在0℃以下，極夜最低溫度可以下降到零下139℃，不用說水早已結成冰，就連二氧化碳也會凝結而成為幹冰。兩極極冠在極大時，可以一直擴展到緯度60度左右的地區，說明它們含有一定量的水，把這水平均鋪在火星表麵上的話，水層可有10米厚。
可以肯定水也會儲存在火星表麵以下各層中。在緯度高於45度的地區，表麵以下的地層終年都是非常寒冷的，會形成冰層，類似於地球兩極地區的永凍層。1973年，美國科學家發現，在赤道附近的“太陽湖”地區，日落後氣溫下降得比周圍地區慢，夜間氣溫則顯得略高。數年後，“海盜號”探測器發現這片地區上空大氣中的水蒸氣含量，也比別的地方要多。有科學家認為，這片區域的地下可能存在著一個有著一定溫度的液態底下水水庫。