El interior de Marte es conocido a través de los datos obtenidos por las sondas espaciales que lo visitaron. Se supone que posee un núcleo de alrededor de 1.700 kilómetros de radio, un manto algo más denso que el de nuestro planeta y una delgada corteza. La densidad relativamente baja de Marte cuando se la compara con la de otros planetas de tipo terrestre indica que su núcleo probablemente contiene un porcentaje bastante alto de sulfuro además de hierro, y que se encuentra en estado líquido.



Al igual que Mercurio y la Luna, Marte carece de una tectónica de placas activa; no hay evidencias de movimientos horizontales de la superficie, causantes de los pliegues montañosos tan comunes en la Tierra. Sin movimientos laterales de las placas, los puntos de tensión bajo la corteza permanecen en una posición fija con relación a la superficie; esto, junto con la menor fuerza de gravedad reinante en la superficie marciana, pudo ser la causa de la formación de Tharsis y sus enormes volcanes. Sin embargo, no hay evidencias de actividad volcánica actual, y si bien Marte pudo haber sido volcánicamente más activo en el pasado, aparentemente nunca tuvo tectónica de placas.

Hay claras evidencias de erosión en muchos lugares de Marte, incluyendo grandes inundaciones y pequeños sistemas de ríos. Sin lugar a dudas, en algún momento del pasado hubo agua en la superficie; se cree que pudieron haberse formado grandes lagos o incluso océanos. Sin embargo, esto ocurrió durante un breve período y hace mucho tiempo; la edad de los canales de erosión está estimada en alrededor de cuatro mil millones de años (Valles Marineris no fue creado por la erosión del agua, sino que se formó por la dilatación y la ruptura de la corteza asociadas con la creación de Tharsis).

En un principio, Marte era muy parecido a la Tierra. Al igual que en nuestro planeta, casi todo el dióxido de carbono terminó formando parte de rocas con alto contenido de carbono. Pero al carecer de una tectónica de placas como la existente en la Tierra, Marte fue incapaz de reciclar todo ese dióxido de carbono de vuelta a su atmósfera, por lo que no pudo sostener un efecto invernadero significativo. La superficie de Marte es comparativamente más fría que la de nuestro planeta, si éste se encontrara a esa misma distancia del Sol, debido a este motivo.

Marte está envuelto por una atmósfera muy delgada, compuesta por dióxido de carbono (95.3%), nitrógeno (2.7%), argón (1.6%) y trazas de oxígeno (0.15%) y agua (0.03%). El promedio de la presión atmosférica en la superficie de Marte es de sólo 7 milibares (menos del 1% de la presión existente en la superficie terrestre), pero varía notablemente con la altura: de alrededor de 9 milibares en los barrancos más profundos a cerca de 1 milibar en la cima de Olympus Mons. Sin embargo, la atmósfera es lo suficientemente gruesa para soportar vientos muy fuertes y vastas tormentas de arena, que en ocasiones envuelven al planeta entero durante meses. Si bien su atmósfera está compuesta en su mayor parte por dióxido de carbono (al igual que la de Venus), el efecto invernadero en Marte es lo suficientemente fuerte como para elevar la temperatura de la superficie en sólo unos 5°C.

Marte posee capas de hielo permanente en ambos polos, compuestas mayoritariamente por dióxido de carbono sólido ("hielo seco") mezclado con polvo oscuro. En el verano del hemisferio norte, el dióxido de carbono se sublima completamente, dejando una capa residual de hielo de agua. No se sabe si una capa similar de hielo de agua existe bajo el polo sur, ya que su capa de dióxido de carbono nunca desaparece completamente. El mecanismo responsable de la generación de las distintas capas es desconocido, pero se supone que se trató de cambios climáticos relacionados con cambios a largo plazo en la inclinación del ecuador de Marte con respecto al plano de su órbita. También es posible que exista hielo de agua oculto bajo la superficie en latitudes más bajas. Los cambios estacionales en la extensión de las capas polares generan cambios de alrededor del 25% en la presión atmosférica global (según mediciones realizadas en los sitios de aterrizaje de las Viking).



En el 2001, observaciones con el telescopio espacial Hubble revelaron que las condiciones climáticas reinantes durante las misiones Viking pueden no haber sido las típicas. Actualmente la atmósfera de Marte parece ser más fría y seca que durante las mediciones realizadas por ambas sondas de descenso.

Las sondas Viking realizaron, además, experimentos para determinar la existencia de vida en Marte. Los resultados fueron negativos; sin embargo, sólo dos pequeñas muestras de suelo fueron analizadas, y se obtuvieron en regiones del planeta que no son consideradas las más favorables para el desarrollo de la vida. Más experimentos serán llevados a cabo por futuras misiones no tripuladas al planeta rojo.

Débiles campos magnéticos, amplios aunque no globales, existen en varias regiones de Marte. Este descubrimiento inesperado fue realizado por la sonda Mars Global Surveyor, pocos días después de haber entrado en órbita alrededor del planeta rojo. Probablemente se trata de remanentes de un campo magnético global que ha desaparecido; este hallazgo podría tener importantes implicaciones en la formación de la estructura interior y de la atmósfera de Marte.

La NASA anunció en marzo de 2004 que el rover Opportunity había encontrado claros indicios de que sobre la superficie de Marte fluyó suficiente agua como para permitir el surgimiento de la vida en el pasado. El descubrimiento se produjo como resultado de las exploraciones realizadas por el vehículo robótico, que descendió sobre un cráter en medio de la llanura Meridiani Planum, cerca del ecuador marciano, en enero de ese año, tres semanas después de que su gemelo Spirit amartizara en el cráter Gusev, ubicado en el extremo opuesto del planeta rojo.