Trên bầu trời đêm, ta có thể nhìn thấy sao Hỏa có màu đỏ hoặc màu cam, vì thế mới có tên "hành tinh đỏ". Các vệ tinh và các tàu thăm.dò cho thấy đất đá trên sao Hỏa có màu đỏ do có chứa nhiều ôxít sắt.
Sao Hỏa tự quay quanh trục mất 24 giờ 37 phút, trục quay của sao Hỏa có độ nghiêng là 23,20 độ gần bằng độ nghiêng của Trái Đất. Vì thế ngày trên sao Hỏa dài hơn ngày trên Trái Đất 37 phút và sao Hỏa quay xung quanh Mặt Trời một vòng 678 ngày nên một "năm" trên sao Hỏa gần gấp đôi một năm trên Trái Đất, các mùa trên sao Hỏa cũng dài hơn mùa trên Trái Đất. Nhiệt độ bề mặt sao Hỏa lạnh hơn Trái Đất nhiều. Ngay cả giữa trưa hè nắng chang chang, trên sao Hỏa nhiệt độ đo được cũng là - 3000C, còn ban đêm xuống đến -8600C, không bao giờ lên đến 00C. Vào mùa đông, các chỏm băng ở hai cực mở rộng dần ra về phía xích đạo, còn mùa hè chúng thu hẹp lại. Điều đáng lưu ý là chỏm băng ở cực Nam lớn hơn ở cực Bắc cho thấy mùa Đông ở bán cầu Nam trên sao Hỏa lạnh hơn ở bán cầu Bắc.
Bề mặt sao Hỏa có nhiều nét giống bề mặt sao Thủy hoặc Mặt Trăng, tương đối bằng phẳng với các miệng hố thiên thạch. Ở bán cầu Bắc của sao Hỏa có một số hố thiên thạch, một vài ngọn núi lửa khổng lồ cao đến 29 km, chân núi rộng đến 400 km và nhiều thung lũng sâu cổ trong đó có thung lũng Valet Mannêrit (Valles Maneris) dài 5.000 km, rộng 600 km và ở một vài nơi sâu tới 6 km. Đất đá ở đây tuổi vào khoảng 1 đến 3 tỉ năm. Ở bán cầu Nam, có nhiều miệng hố hơn và có tuổi đất đá cổ hơn, trên 4 tỷ năm. Những sa mạc đá rộng lớn, bằng phẳng, rải rác những hòn đá đủ kích cỡ và cát bụi, đều có màu đỏ chiếm 40% diện tích sao Hỏa và mỗi khi có gió nổi lên là bụi bay mù mịt thành những trận bão bụi mà từ Trái Đất nhìn lên ta thấy hình như sao Hỏa đang đổi màu. Các thiên thạch đã để lại trên bề mặt sao Hỏa. nhiều dấu vết: những hố thiên thạch, những vùng trũng rộng lớn như các bồn địa và những hẻm vực dài khổng lồ rất sâu. Bầu không khí của sao Hỏa hết sức loãng đến mức dù cho bão có thổi mạnh đến mấy cũng chỉ đủ sức làm bốc lên những hạt bụi mịn mà thôi. Không khí ở đây chứa tới 95% khí cácbonic, 2,7% nitơ, 1,6% acgông và 0,76% ôxi, ôxit cácbon, hơi nước. Bầu khí quyển sao Hỏa gồm 3 tầng: trên cùng là các đám mây mỏng và tuyết cácboníc đông đặc, tầng giữa là hơi nước đóng băng và sát mặt đất là tầng bụi mịn chứa nhiều chất sắt. Hơi nước chỉ tìm thấy ở các lớp mây, hoặc sương mù trong các thung lũng hoặc ở sát mặt đất.
Về cấu tạo bên trong cùng là một cái nhân nhỏ bằng đá, bao bọc bên ngoài bởi lớp bao dày gồm các loại đá silicát và một lớp vỏ mỏng ở ngoài cùng toàn đá xen lẫn đất đóng băng.
Sao Hỏa có 2 vệ tinh là Phôbốt (tiếng Hi Lạp Phobos là Sợ hãi) và Đâymôt (Deimos là Kinh hoàng) đều có đường kính không quá 30 km. Cả 2 đều quá nhẹ nên trọng lượng không đủ để tạo cho chúng có hình khối cầu. Chúng có hình dạng củ khoai tây như phần lớn các thiên thạch trong hệ Mặt Trời. Cũng có ý kiến cho rằng đây là 2 thiên thạch đã bị sức hút của sao Hỏa giữ lại trên quỹ đạo quanh sao Hỏa khi chúng rơi vào cách đây khoảng 40 triệu năm. Vệ tinh Phôbốt lớn hơn, nằm chỉ cách sao Hỏa 9.380 km, quay quanh sao Hỏa một vòng mất 7 giờ 40 phút. Các ảnh chụp từ tàu thăm dò cho thấy trên bề mặt của 2 vệ tinh này lỗ chỗ những hố thiên thạch to nhỏ khác nhau.