火星水文是研究火星表面水的状态。相较于地球，液态水在火星表面几乎不存在。火星的水大多锁在永久冻土和极冠等冰冻圈（Cryosphere），所以在火星表面没有足够的液态水可以形成水圈。只有极少量的水蒸气存在于火星大气层。
现在火星表面环境因为大气压力和温度过低，会让液态水蒸发或凝固而无法存在。因此研究人员研究古代火星的水文遗迹，重建火星古代可能存在的海洋（英语：Mars ocean hypothesis）。但仍无法解答液态水消失的原因。
目前已有许多直接和间接证据证明火星表面有液态水间歇性存在于表面或地表下；例如河床、极冠、光谱、被侵蚀的撞击坑和针铁矿等矿物都直接显示火星曾经存在液态水。在一篇《地球物理研究期刊》（Journal of Geophysical Research, JGR）的文章中，科学家研究地球南极冰层下的沃斯托克湖后认为液态水可能仍存在于火星。研究人员认为如果渥斯托克湖在永冻冰层出现以前就存在，那该湖可能并未冻结。因此火星如果仍有液态水存在，可能以冰下湖的形式存在于冰冠下。
2015年9月28日，NASA根据火星勘测轨道卫星的探测，现在的火星表面间歇性存在液态水。
水手9号拍摄的影像中发现河床、峡谷（包含水手号谷，一个长达4200公里的峡谷系统）、水流侵蚀、锋面、雾等，首先揭露火星表面曾经有水的证据。之后的海盗号接续水手9号。巨大的水手号峡谷系统命名就是为了对水手9号任务表达敬意。
水手9号拍摄的斯卡曼德洛斯谷（Scamander Vallis）的曲流，这表示曾有大量水流在火星表面。
水手9号拍摄的瓦伊哥谷（Warrego Valles），这是雨或雪的作用形成此种河道系统的证据。
海盗号在火星表面发现许多因为大量水流才能造成的地表特征，引发学界对火星表面是否有水的观点革命。巨大的河谷在火星许多地方发现，这些峡谷可看到洪水突破障碍切出深谷，在岩床上留下痕迹且移动数千公里。南半球有大片区域有河道网络显示曾经有降雨。一些火山的边缘被认为是因为降雨而暴露出岩石，因为在夏威夷群岛的火山也有类似地形特征。许多撞击坑的型态看起来就像撞击物撞入湿泥地；当撞击坑形成时，土壤中的冰可能融化使表面变成湿泥地在表面流动。正常情况下表面物质在撞击后会上升再下降，但在火星一些撞击坑并不会在表面流动，因为周围有许多障碍。混沌地形看起来像有大量的水流过，在较下游处造成大型的河道。这些水流的规模是难以想像的－可能是密西西比河流量的十倍。地下的火山活动可能曾经融化冰层，大量水流流失以后地表塌陷形成混沌地形。
以下部分影像是从海盗号多张窄视野，高分辨率影像拼接而成。部分影像有标上地名。
海盗号拍摄的巴赫拉姆谷（Bahram Vallis），位于月神高原（Lunae Planum）北部，月沼区。位于韦德拉谷（Vedra Vallis）和地势较低的卡塞峡谷（Kasei Vallis）之间。
海盗号拍摄的许多流线型岛屿显示曾有强大水流在火星表面出现。位于月沼区。
海盗号拍摄从迈亚谷（Maja Valles）流出的水流造成泪滴状岛屿群。位于欧克西亚沼区（Oxia Palus）。这些岛屿是在卢德撞击坑（Lod Crater）、包克撞击坑（Bok Crater）和高尔德撞击坑（Gold Crater）的喷出物上。
照片中可见冲刷模式是水流从左侧的迈亚谷流出。位于月沼区。
在这幅海盗号拍摄影像中可见大量的水流造成侵蚀。位于月沼区。水流侵蚀造成德罗摩尔撞击坑（Dromore Crater）周围的撞击喷发物形成现在形态。
在这幅海盗号拍摄影像中可见韦德拉谷、茂米谷（Maumee Vallis）和迈亚谷的水流都从影像左侧的月神高原流入右侧克里斯平原（Chryse Planitia）。位于月沼区。
海盗号拍摄的亚兰斯撞击坑（Arandas Crater）外的喷发物类似泥浆在周围的小撞击坑（箭头所指处）运动，而不是降落。这种撞击坑形成原因被认为是当撞击时造成大量水冰溶化所致。位于阿西达利亚海区（Mare Acidalium quadrangle）。
在这幅影像中可见亚拔山（Alba Patera）边缘有河道或沟槽。部分沟槽形成原因是因为岩浆的流动；其他的可能是因为水流形成。大规模的沟槽或地堑形成一条崩溃的凹处。位于阿卡迪亚区（Arcadia quadrangle）。
位于陶马西亚区（Thaumasia quadrangle）的许多细小河道。这样的河道网是火星古代有大量降雨的强力证据。
位于珍珠湾区（Margaritifer Sinus quadrangle）的许多细小河道是火星古代曾有降雨的证据。
海盗号拍摄的拉维谷（Ravi Vallis），可能是灾难性的巨大洪水从右边的混沌地形流出。位于珍珠湾区（Margaritifer Sinus quadrangle）。
海盗号登陆器的实验结果显示火星在古代和现代都有水存在；在海盗号气相层析质谱分析仪（Gas chromatograph-mass spectrometer）内加热的试体释放出水，但是比例只有约1%。化学分析显示火星表面过去曾有许多水。部分火星表面的土壤含有硫和氯，可能是古代海水蒸发后留下的。硫元素集中在火星的土层表面，因此可能原因是因为地壳上部分的硫酸盐被水溶解后向上输送到地表；这在地球上的沙漠是很常见的现象。这些硫可能与钠、镁、钙或铁形成硫酸盐或铁的硫化物存在。海盗号登陆器的火星表面试体化学实验结果显示火星表面矿物有约90%是富含铁的黏土混合物；其中约10%是硫酸镁（可能是硫酸镁石）、约5%是碳酸盐（方解石）、约5%是铁氧化物（可能有赤铁矿、磁铁矿、针铁矿）。这些矿物是典型的基性火成岩风化产物，这些矿物是水曾经存在的证据。硫酸盐矿物内有结晶水，是水在古代曾经存在的证据；维京2号发现相似矿物聚集存在的区域，因为维京2号的位置更北，拍摄到火星冬季表面的霜。
火星表面的霜
2006年12月火星侦察轨道器拍摄海盗2号登陆器。
登陆地点的霜。
火星全球探勘者号的热辐射光谱仪（Thermal Emission Spectrometer, TES）是用来侦测火星表面矿物组成的仪器。矿物成分提供水是否在古代火星存在的资讯。TES调查很大的范围（约30,000平方公里），发现在尼利槽沟有橄榄石。一般认为早期的撞击事件形成伊希地平原，造成的断层暴露橄榄石。橄榄石可在许多种基性火成岩中发现；而水的侵蚀可让橄榄石产生变成其他矿物，例如针铁矿、亚氯酸盐、蒙脱石、磁赤铁矿和赤铁矿。橄榄石的发现是火星表面部分地区长期以来极为干燥的强力证据。橄榄石也发现在其他许多位于北纬或南纬60度左右的露头。橄榄石已在SNC火星陨石（辉玻无球陨石、辉橄无球陨石和纯橄无球陨石）中被发现。后续研究发现富含橄榄石的岩石覆盖超过11.3万平方公里的火星表面，是夏威夷岛五座火山面积的11倍。
2006年12月6日NASA公开萨瑞南高地（Terra Sirenum）和半人马山（Centauri Montes）的照片，发现在1999和2001年的照片比较有液态水的证据。
数百条因为液态水造成的溪谷被认为是最近形成的。这些溪谷在陡坡和特定纬度被发现。
以下照片是火星全球探勘者号拍摄的溪谷照片作为范例：
位于牛顿撞击坑附近的坑洞北侧环型山的溪谷群(南纬41.3047°，东经192.89°)。影像位于Phaethontis区。
在Eridania区内开普勒撞击坑以北某坑洞内的溪谷。该地形特征也许是古代冰川的遗迹。右侧其中一个形状类似舌头。
凯撒撞击坑壁内的溪谷。一般来说溪谷地形特征经常只在撞击坑一侧被发现。位于Noachis区。
戈耳贡混沌地形（Gorgonum Chaos）内溪谷的全彩影像。影像位于Phaethontis区。
部分火星上的河道显示曾经存在水流，最有名的是在纳内迪谷（Nanedi Valles）；另外在尼尔格谷（Nirgal Vallis）也发现同样的地理特征。
火星上许多地方都发现在陡坡上的暗条纹（dark slope streaks或dark streaks on steep slopes），例如撞击坑壁。陡坡上的暗条纹（英语：Dark Slope Streaks）自水手号任务和海盗号任务开始被研究。这些条纹看起来是一开始形成时是暗色，之后随着年代变淡色。这些条纹一开始形成时有小而窄的斑点，之后开始变宽且下降数百米。这些条纹看起来并未与其他特定地层的物质有关，因为它们并非在一个共同高度上延著山丘开始延伸。虽然这些条纹看起来非常暗，但只有约10%或更少的条纹比周围物质更暗。火星全球探勘者号发现有新的条纹在1年内形成。
有些观点被提出以解释这些暗条纹形成的原因；这些因素也包括水或者是火星上生命的滋长主要被接受的解释是这些暗条纹来自于覆盖在较暗物质地层上的明亮物质薄地层山崩而形成。比较亮的尘土在一段时期后在火星整个表面落下。
以下是火星全球探勘者号拍摄的暗条纹影像：
吉洪拉沃夫撞击坑（Tikonravev Crater）内地层。这些地层可能是因为火山、风或者水的作用沉积形成的。左边的数个撞击坑是底座形撞击坑（Pedestal crater）。陡坡上的暗条纹可以发现是来自某些地层（请点选影像放大）。
Diacria区的暗条纹。
阿拉伯区的暗条纹。影像内撞击坑大小与美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑（Meteor Crater）相近。
火星部分地区出现倒转地形（Inverted Relief）；原因是沉积物沉积在河床上之后胶结在一起增加对侵蚀的抵抗能力，之后这区域可能被掩埋，外层覆盖物被侵蚀拨落后，以前的河床因为对侵蚀能力抵抗较强而留下来。火星全球探勘者号找到这类过程的证据。火星表面许多区域都可发现倒转地形，尤其是梅杜莎槽沟层（Medusae Fossae Formation）、宫本撞击坑（Miyamoto Crater）和朱芬塔高原（Juventae Plateau）
以下影像是其中一个例子：
火星全球探勘者号拍摄的朱芬塔峡谷（Juventae Chasma）附近的倒转地形。这些溪流在山脊的顶部发源，然后一起流动。
火星探路者发现火星表面气温的变化循环。最低温时候是在日出前（约 -78℃），最高温的时候则是刚过火星的中午不久（约 -8℃）。如此极端的变化发生在温度上升与下降最快的地方。在这些地方的最高温度从不会到水的冰点（0°C），所以火星探路者号确定登陆地点温度过低使液态水不可能存在。但是液态水如果含多种盐类的话就可能存在。
表面气压每日的变化范围约0.2毫巴，但每天有两个最低点和最高点。日平均气压从6.75毫巴降低至6.7毫巴，因为这时候有最大量的二氧化碳被凝结在火星南极。地球表面的气压大约是1000毫巴，所以火星的气压非常低。火星探路者测量到的气压过低，因此液态水和冰不可能在火星表面存在。但如果火星的冰是存在泥土中，也许就可以存在很长的时间。
其他的观测认为火星过去曾经存在液态水。一些位在火星探路者登陆地点的覆瓦状岩石互相斜靠。因此一般相信古代曾经有强力水流推动岩石周围直到岩石转过水流方向。有些卵石是圆的，可能是因为在水流中翻滚。部分地表相当坚硬，可能是因为水流携带的矿物造成凝聚。
火星探路者号也发现云和雾存在的证据。
2003年7月，在加州举办的一场研讨会中，火星奥德赛号团队公布奥德赛号上的伽马射线光谱仪（Gamma Ray Spectrometer, GRS）发现了有大量的水存在于火星广大地区。火星表面以下的水冰量可以充满两个密歇根湖。在火星南纬和北纬55°到南极和北极点的地表之下有大量的水冰；每一公斤的火星土壤含有500公克的水冰。但在火星的赤道附近，火星的土壤中只含水约2%到10%。科学家相信有大量的水在矿物的结构内，例如黏土和硫酸盐。以红外线光谱的资料研究结果显示有少量的水因为化学或物理因素固定在矿物中。海盗号的登陆器在火星土壤中也发现少量因为化学反应固定在矿物中的水。一般相信，即使火星表面上半部只含有少许水，水冰可能在数英尺下存在。有些区域，例如阿拉伯高地（Arabia Terra）、亚马逊区（Amazonis quadrangle）和埃律西昂区（Elysium quadrangle）有大量的水。根据探测资料分析显示火星南半球可能有含冰地层结构。火星两极地区都有埋在地下的冰，但北极地区因为被季节性存在的干冰覆盖，无法看到地下的水冰。当取得完整探测资料后，火星北极已经进入冬季，二氧化碳凝结成干冰覆盖在水冰上方。奥德赛号的仪器只能研究深度只有数米的土壤，因此火星可能有比我们所探测到更多的水。即使如此，奥德赛号在火星发现的水仍然相当大量。埋在火星土壤中的水含量可能可以淹没火星0.5到1.5公里深。
凤凰号火星探测器确定火星奥德赛号先前的发现。凤凰号在火星表面底下数英寸深处发现水冰，而且水冰至少8英寸深。当水冰暴露在火星大气层表面时缓慢升华。事实上，火星暴露在大气层冰部分是因为凤凰号的登陆火箭造成的。
数千幅奥德赛号拍摄的影像显示火星曾经有大量水流在表面流动。有些影像显示溪流的地形，其他影像中则找到可能在湖底沉积形成的地层，也找到三角洲地形。
多年以来，许多研究人员相信在火星仍有冰川在一些岩石层下，因为岩石能隔热，让水冰能存在。线形的沉积物是可能存在被岩石覆盖的冰川其中一个证据；这些线形沉积物在一些河床底部被发现。沉积物的表面有山脊状和凹槽状的物质，而这些物质在一些障碍物周围转向。有些地球上的冰川也有同样的地形特征；线形的沉积物底部可能和舌状岩屑坡（Lobate Debris Apron）有关；后来火星快车号和火星侦察轨道器的透地雷达MARSIS和SHARAD证实这地区有大量的冰。
以下影像是由2001火星奥德赛号上的热辐射成像系统（Thermal Emission Imaging System, THEMIS）拍摄的；这些影像内的地表特征和液态水现在或过去曾经存在有密切关系：
安夸库谷（Auqakuh Valles）影像中整个区域经被一层暗地层覆盖，但现在只留下数个类似孤峰（Butte）的地形特征。点选影像可见当地地层。这些地层也许是在古代的湖底沉积而成。
位于大瑟提斯区的火星谷（Huo Hsing Vallis）。直线形的山脊可能是熔岩流动后形成的岩脉。
尼尔格谷存在可能是因为地下水侵蚀造成的地形特征。尼尔格峡谷是THEMIS拍摄的许多古代河谷其中一个。
尼尔格谷和乌斯钵谷（Uzboi Vallis）相连处。影像中卢基撞击坑（Luki crater）的直径为21公里。
尼尔格谷。
尼尔格谷近拍影像。
瓦伊哥谷附近的河谷，该分支河谷是水流曾经在火星表面存在的强力证据，而水流存在时的火星可能比现在高温许多。
阿瑞斯谷（Ares Vallis）的侵蚀特征－可能是因为流水侵蚀形成的流线形状地形。
位于Ismenius Lacus区的三角洲。
位于月沼区的三角洲
位于珍珠湾区的三角洲。
卡塞峡谷。
阿萨巴斯卡谷（Athabasca Valles）的影像中可见水流来源是科柏洛斯槽沟。注意影像中流线型岛屿显示水流方向是往南。位于埃律西昂区。
帕德丝谷（Padus Vallis）的近距离影像。位于Memnonia区。
艾彻斯峡谷（Echus Chasma）西侧的河道。影像中细小的树枝状河床可能是因为水流流经该区域形成。位于Coprates区。
艾彻斯峡谷内一个桌山上的树枝状河道。影像宽度20英哩。位于科普来特斯区。
米拉斯峡谷（Melas Chasma）底部的树枝状河道。位于科普来特斯区。
火星表面有大片区域被水冰和土壤混合的厚而平坦的地层覆盖。这些富含冰的地层厚达数米，而且这些物质的沉积可以使火星表面变平坦；但在这些沉积地区表面却出现类似篮球表面崎岖不平的地表特征。这些区域撞击坑数量较少也表示这些区域相对年轻。
火星轨道和自转轴倾斜角的变化使火星上水冰的分布有明显变化。在一些时期水蒸气离开两极的冰冠进入大气层，并在较低纬度区域回到火星表面变成霜或雪与土壤混合后沉积。火星大气层有许多细沙颗粒，而且水蒸气会附着在这些颗粒上造成沙粒变重而落到地表。当土壤表面的冰升华成水蒸气后就离开沙粒；留下的沙粒则有很好的隔热效果，能保留更下层的冰。
位于一座巨大火山哈德里亚卡山（Hadriaca Patera）附近的道谷（Dao Vallis）被认为当炙热的岩浆融化火星表面的大量的冰时曾容纳大量的冰融化成的水。影像上方在河道左侧圆形凹陷的地区被认为是地下水侵蚀造成。
有些大型河谷是发源自混沌地形。这种地形的形成一般认为是因为大量的水从地下被释放造成地表下限。THEMIS拍摄的混沌地形如以下影像：
阿伦混沌地形（Aram Chaos）的石块显示可能的水源。当大量的水流出时，地表塌陷形成混沌地形。这些大型时快可能还有一些水冰。位于欧克西亚沼区。
欧罗姆混沌地形（Aureum Chaos）的巨大峡谷。点选影像可见山沟可能是最近几年流出的水流形成的。在这个纬度很少山沟的存在。位于珍珠湾区。
凤凰号探测器确定有大量的水冰存在于火星北半球；这项发现在之前理论已经预测，而且由2001火星奥德赛号上的仪器测定发现。2008年6月19日，NASA公布骰子大小的明亮物质在凤凰号的机械手臂挖出来的“嘟嘟鸟─金凤花”（Dodo-Goldilocks）沟槽经过4天后消失。这代表发现的亮块很可能是曝露后升华的水冰。即使干冰在当时也被发现，升华的速度也比观测到的要快很多。
2008年7月31日，NASA公布凤凰号在火星上发现水冰的存在。在初始的样本加热循环中，热与蒸发气体分析仪（Thermal and Evolved-Gas Analyzer's, TEGA）的质谱仪在样本温度达到 0 °C 时侦测到水蒸气。液态水无法在火星表面过低的气压存在，除非是在地势最低的地方可以短暂存在。
凤凰号任务结束后，在科学期刊的一篇论文报告分析结果中提到凤凰号在分析样本中发现氯化物、碳酸氢盐、镁、钠、钾、钙，可能还有硫酸盐。高氯酸盐 (ClO4) 这种强氧化剂也在火星土壤中被确认；这种化合物如果和水混和可以大幅降低水的冰点，和洒盐在道路上将水冰融化是类似机制。也许高氯酸盐现在还有少量存在于火星的液态水中。山沟地行在火星一些区域相当常见的原因可能就是因为高氯酸盐使水冰融化在陡坡上造成侵蚀。
此外，2008年至2009年初一张凤凰号着陆支架照片上的一个“斑点”引起许多争论；许多人认为那可能是水滴或一块霜。因为计划团队内对于那是什么东西并无共识，因此并未在NASA的任何新闻发布记者会上公开。其中一位科学家认为是凤凰号在登陆时保持平衡的盐水袋被推进器泼溅到着陆支架上。盐分可能被火星大气层中的水蒸气吸收，这也许可以解释盐水如何在前44个火星日中，温度逐渐下降的状况下逐渐蒸发。有些影像甚至显示一些水滴变暗之后移动和合并，这是那些黑点是液体的强力物理性证据。
骰子大小的明亮物质在扩大的“嘟嘟鸟─金凤花”（Dodo-Goldilocks）沟槽经过4天后消失。这表示水冰曝露后升华。
彩色影像显示冰的升华；左下角已被扩大的沟槽影像被放大，在右上角显示。
凤凰号视野可及之处是一片大平原，不过这平原上有许多直径2到3米的多边形构造，每个多边型之间的边界是深度20至50公分深的沟槽。这样地形的由来是因为土壤中的水冰因为温度热涨冷缩造成。
比较凤凰号在火星上拍摄的多边形地形...
...和火星侦察轨道器拍摄的假色影像...
...和地球上北极地区加拿大德文岛上的图案地。
凤凰号上的显微镜观测到火星表面多边形地区的土壤是由平面状（可能是一种黏土）和球型颗粒组成。黏土是某些种类矿物和水产生反应后的产物；所以找到黏土就可以证明火星表面曾经有水的存在。目前所发现水冰在火星地表多边形的中央区域可在地表下数英寸被发现；沿着多边形的边缘则至少要在8英寸深以下。当水冰暴露在火星大气层时，将会缓慢升华。
火星上的雪被发现是从火星大气层中的卷云落下。这些卷云是在大约-65°C的温度下形成，因此这些卷云由水冰形成的可能性远大于干冰，因为形成干冰的温度要-120°C。这次任务的结果显示，水冰（雪）被认为在任务之后不久会沉积在降落地点。凤凰号任务期间测量到的最高温是-19.6°C，最低温则是-97.7°C；因此，在该区域的气温长期保持在远低于水的冰点（0°C）以下；而且凤凰号任务期间是火星北半球的夏季。
凤凰号任务的资料判读结果在科学上发表。在资料中显示，凤凰号的登录地点在不久之前的过去曾经是温暖潮湿的。火星土壤中发现碳酸钙让科学家相信凤凰号登陆地点曾经是潮湿的区域。在季节或时间较长的日夜周期中，液态水在火星表面可能是一层薄膜。火星自转轴倾斜角的变化程度远比地球大；因此在火星上多次的潮湿气候是可能的。凤凰号的探测资料也确定高氯酸盐的存在。高氯酸盐在火星土壤中的比例约千分之几左右。在地球上高氯酸盐是某些细菌的食物。另一份论文则宣称，之前侦测到的雪可能造成水冰的累积。
精神号和机会号火星探测车找到许多火星古代有水的证据。虽然这两台探测车原本的设计只预期使用三个月，但这两台车至今超过六年仍在使用，继续记录新发现。
精神号原本预期是降落在一个古代的大湖湖床。但实际探测发现湖床已被岩浆流覆盖，让古代的水流证据难以被观测到。当任务继续执行，探测车找到许多过去水流的线索。
2004年3月5日，NASA宣布精神号在探测的韩弗瑞（Humphrey）岩石找到水的证据。圣路易斯华盛顿大学地球与行星科学系主任，雷蒙·阿维森（Raymond Arvidson）在NASA记者会宣布：“如果我们在地球上找到这块岩石，我们会认为这块火山岩被水流短距离移动过”（If we found this rock on Earth, we would say it is a volcanic rock that had a little fluid moving through it.）。另一台探测车机会号找到的岩石则是由岩浆组成，这块岩石有一些明亮的矿物，可能是结晶的矿物在裂缝中。假如这是正确的，这些矿物最可能是形成后被带入岩石或在较大岩石与水作用后被水溶解。
2007年12月当精神号拖着损坏的后轮行驶时，该损坏的车轮在火星表土刮出痕迹，显示一小块被视为火星曾有适合古代微生物环境的证据。这个特征类似地球上从温泉流出的水或水蒸气与火山岩反应的产物，在地球上这类地区通常是大量微生物聚集的地方。探测车计划首席科学家史蒂夫·斯奎尔斯（Steve Squyres）在美国地球物理联盟（American Geophysical Union, AGU）的一场会议说：“我们对于这个发现相当兴奋”。这个区域有大量的二氧化硅－玻璃的主成分。研究人员总结这些明亮的矿物的形成有两个可能原因：第一个是温泉沉积物造成，当水在一处溶解二氧化硅后带到另一处沉积（如间歇泉）。第二个是酸性水经由岩石缝隙上升，剥去岩石的组成矿物，留下二氧化硅。斯奎尔斯对BBC解释说：“最重要的是，无论它是否是一个假设，这暗示对于古代火星的适居性是大同小异”。温泉提供可以使微生物孳生的环境，而且二氧化硅沉积物可以封存和保留这些微生物。斯奎尔斯又说：“你可以去地球上的温泉和火山喷气孔；这些地方都充满微生物”。
机会号则是被控制行使到一个被轨道器探测出有大量赤铁矿的地区；赤铁矿的形成经常是因为水。当机会号降落在这些沉积岩上，发现到许多可容易被观测到的赤铁矿小球。在这几年观测中，机会号传回大量火星古代可能有广大面积被液态水淹没的证据。
在2006年3月一个新闻记者会上，科学家们讨论关于火星岩床和液态水的证据。他们提出以下原因来解释岩石中一些经过磨损后可见的小而长的空洞（见以下最后两个图）：这些空洞可能是所谓的“晶洞”。晶洞的形成是因为岩石基质内的结晶因为侵蚀作用而被移除留下。影像内的部分盘状特征内有某些种类的矿物，尤其是硫酸盐类。此外，任务成员还公开第一张由穆斯堡尔谱仪观测岩床资料的光谱。从酋长岩（El Capitan）的铁光谱中发现黄钾铁矾。这种矿物含有氢氧化物离子，这指出当矿物形成时水是存在的。微型热辐射光谱仪（Miniature Thermal Emission Spectrometer，Mini-TES）观测船长岩的资料发现大量含有水的硫酸盐类。
岩石露头的特写影像。
并非互相平行的薄岩层。
岩石磨损工具钻出的洞。
岩石内的空洞或晶洞。
火星侦察轨道器的高分辨率成像科学设备（High Resolution Imaging Science Experiment，HiRISE）拍摄许多照片，这些照片提供火星表面曾有大量液态水流动的证据。一个主要发现就是找到温泉的证据。温泉可能维持火星上的生命，而且可能保留火星古代生命的化石。
在2010年1月一篇《伊卡洛斯》的论文提到水手号峡谷周边地区有长期维持降水的强力证据。这区域的矿物形成都和水有关。同样的，大量的小支流也指出有大量的降水，因为在地球上相同气候条件的区域也出现类似地理特征。
HiRISE拍摄的伊乌斯峡谷（Ius Chasma）边缘的河道。河道的特征和该区高密度的分布是降水的水源。位于Coprates区。
HiRISE拍摄的堪德高原（Candor plateau）河道，位于Coprates区。点选影像可看到许多小的分支河道，这些河道是支持降水的强力证据。
火星有些地方出现倒转地形（Inverted Relief）。在这些地方，河床的位置是比周围高的，而非形成峡谷。这些倒转的河道可能是因为大岩石的沉积或是松散物质凝结。在以上两种情况下周围区域的侵蚀将会形成远离旧河道的山脊，可以增强对侵蚀的抵抗。以下由HiRISE拍摄的影像显示旧河道翻转成弯曲的山脊。
在一篇2010年出版的论文，有许多科学家赞同在宫本撞击坑寻找生命，因为倒转的河道和矿物是以前水曾经存在的证据。
安东尼亚第撞击坑内的倒转河道。位于Syrtis Major区。
朱芬塔峡谷（Juventae Chasma）附近的倒转河道，这些河道曾经是一般的河道。比例尺500米。位于Coprates区。
宫本撞击坑内的倒转河道，位于珍珠湾区。比例尺500米。
有许多支流的倒转河道，位于大瑟提斯区。
研究人员利用来自火星全球探勘者号、2001火星奥德赛号和火星侦察轨道器资料找到分布很广的氯化物盐类矿物。氯化物通常是溶液溶解矿物最后的产物。以下一张影像显示在Phaethontis区一些沉积物的状态。这些证据表示这些沉积物是富含矿物的水蒸发后留下的。湖泊可能在火星表面大范围存在。碳酸盐、硫酸盐和二氧化硅会在蒸发前先沉淀。硫酸盐和二氧化硅已被火星探测车发现。氯化物盐类存在的地区可能曾经有许多种生命形式。因此，这样的区域可能保存远古火星生命的遗迹。
火星上许多地方的岩石多有明显地层构造，哥伦布撞击坑（Columbus Crater）是其中一个有地层构造的撞击坑。火山、风或水等许多地质作用会让岩石出现分层构造。火星许多地方的岩石都有地层构造。科学家对于在火星上找到因为大量水流而形成的地层构造相当兴奋。
有时候岩石各层会有不同颜色。火星上的浅色调岩石形成原因跟水合矿物，如硫酸盐有关。机会号以数个仪器仔细观察这样的岩层。有些岩层可能是由细颗粒土壤形成，因为这些岩石似乎会分裂成细颗粒尘埃；相对的，分裂成大块岩石的地层则可能明显较坚硬，而这些岩层可能是由玄武岩构成。玄武岩在火星各地都可被发现。轨道探测器上的仪器在一些岩层发现黏土（页硅酸盐）。科学家对于发现水合矿物和黏土相当兴奋，因为这些都是和水有关的矿物。黏土和其他水合矿物存在的地方可能是适合寻找生命存在证据的地方。
以下由HiRISE拍摄的影像是许多火星表面地层的例子。
贝克勒撞击坑的地层；点选放大可看到断层。位于欧克西亚沼区。
厄俄斯混沌地形（Eos Chaos）的浅色调地层。位于Coprates区。
哥伦布撞击坑的地层。这幅假色影像幅宽约800英尺；地层内有水合矿物。位于Memnonia区。
艾西莫夫撞击坑西侧斜坡的地层。位于Noachis区。
艾西莫夫撞击坑西侧斜坡的地层放大照。影子显示突出的部分。部分地层对于侵蚀有较强抵抗力，所以较突出。位于Noachis区。
提托努利林峡谷（Tithonium Chasma）。位于Coprates区。
朱芬塔峡谷（Juventae Chasma）西侧地层。比例尺500米。位于Coprates区。
火星表面有很大面积的区域覆盖一层可能是水冰和尘埃的混合物。这层数米厚，富含水冰的沉积层使火星表面变平坦，但这些区域仍然有类似篮球表面的粗糙地表构造。因为这些区域很少撞击坑，是相对年轻的区域。以下由HiRISE拍摄的影像可见这类区域的各种状态。
有富含水冰层基层覆盖的尼日谷（Niger Vallis），是这个纬度的典型地表特征。V形地表特征是因为含冰物质移动造成。位于希腊区。
亚特兰提斯混沌地形（Atlantis Chaos）。这两张影像是原始影像两个不同区域，且不同比例。位于Phaethontis区。
地层状况。位于诺亚区。
火星轨道和自转倾角的变化造成水冰分布的明显变化，这相当于从极区到相当于美国德克萨斯州的纬度。在一些时期水蒸气会从极区离开进入大气层；并在比较低纬度地区变成霜或雪后和泥沙混合沉积。火星大气层有大量的细颗粒尘埃，在水蒸气凝结在这些颗粒后因为重量而下沉到地面。当水冰从浅地层进入大气，将会留下泥沙，这些留下的泥砂能阻隔剩余的冰阻止冰的升华。
HiRISE 拍摄许多可能是水流在近年造成的山沟；许多山沟被拍摄多次影像以观察是否有发生变化。有些山沟发生变化，部分科学家认为可能是这几年中液态水造成的；但也有许多人认为可能是干的泥沙流。这些是由火星全球探勘者号首先发现。
其他理论认为这些山沟或河道的形成是因为风的侵蚀、液态二氧化碳或液态甲烷。
以下影像是HiRISE拍摄的数百个被研究过的山沟的影像。
水手号撞击坑（Mariner Crater）内坑壁的大群山沟。
却瑞腾山脉（Charitum Montes）的山沟。位于阿尔及尔区。
HiISE拍摄杰札撞击坑（Jezza Crater）北侧坑壁（上方）的山沟。暗线是尘卷风（dust devil）轨迹。比例尺是500米。位于阿尔及尔区。
格林撞击坑（Green Crater）的山沟。
格林撞击坑（Green Crater）的山沟特写影像。位于阿尔及尔区。
佩纽斯山（Peneus Patera）的贝状地形（Scalloped Terrain）。贝状地形在火星一些地区相当常见。
蒙德撞击坑（Maunder Crater）的突出部分是南侧（底部）被侵蚀的坑壁。比例尺是500米。
艾西莫夫撞击坑（Asimov Crater）影像底部是西南侧坑壁。影像上半部是填满大部分撞击坑的山丘边缘。
艾西莫夫撞击坑内山丘上的山沟。位于诺亚区。
Phaethontis区的山沟。注意河道如何环绕障碍物。
Phaethontis区有支流的的山沟。
海盗号轨道器拍摄到峭壁周围有许多堆叠起来的物质长期以来一直让科学家感兴趣；这些岩石碎片的沉积物被称为舌状岩屑坡（lobate debris aprons, LDAs）。这类地形是向外突起，并且有从悬崖或陡坡起源的缓坡地形；这代表流动是从陡峭的悬崖开始。此外，舌状岩屑坡可以看到类似地球上岩流（冰川石流，Rock glacier）造成的地表线理。最近研究人员分析火星侦察轨道器的浅地层雷达（Shallow Radar, SHARAD）观测资料，发现强力证据显示，在希腊平原和北半球中纬度的蛇状岩屑坡是覆盖有薄岩石的冰川。火星侦查轨道器的雷达接收到来自舌状岩屑坡顶部和底部的强烈反射坡，代表纯水冰造成LDA形成的阻碍（在两个反射坡之间）。根据凤凰号的实验和火星奥德赛号的观测资料，我们现在知道水冰可以在火星高纬度区域地表下存在。在舌状岩屑坡发现水冰代表水甚至可以在低纬度下存在；未来的火星殖民可以直接向下挖冰而不用到高纬度取水冰。而且LDA底下水冰的优势是很容易使用轨道器发现与测绘其位置。舌状岩屑坡在北纬38.2°的佛勒格拉山（Phlegra Montes）找到；而凤凰号降落的地点是北纬68°，所以在舌状岩屑坡发现水冰大幅增加人类未来在火星居住的可能性。探测器在火星赤道附近降落远比在极区降落容易，所以人类未来在火星赤道附近殖民的可能性增加。
以下影像是HiRISE拍摄的舌状岩屑坡范例：
佛勒格拉山的舌状岩屑坡，位于Cebrenia区。这个岩屑坡极有可能是表面覆盖一层岩石碎片的水冰，未来火星殖民可做为水的来源。比例尺是500米。
舌状岩屑坡表面特写影像。注意这些线条在地球上的岩流相当常见。位于希腊区。
沿着山坡看舌状岩屑坡。位于阿卡迪亚区。
舌状岩屑坡起源地。注意影像中的条纹，这些条纹指出运动方向。位于Ismenius Lacus区。
2009年9月在科学期刊上的一篇论文报告一些火星表面的新撞击坑暴露高纯度的水冰；在这之后冰就升华进大气层。这些冰存在于只有数英尺深处。这些冰是使用火星侦察轨道器上的火星专用小型侦察影像频谱仪（Compact Imaging Spectrometer for Mars, CRISM）确定的。 这些冰其中3处是在Cebrenia区被找到；分别是：55.57° N, 150.62° E; 43.28° N, 176.9° E; and 45° N, 164.5° E。另外2处则是在Diacria区：46.7° N, 176.8° E and 46.33° N, 176.9° E。这个发现显示未来火星殖民可以从许多地方取得水源；这些冰可以挖出后溶化，再电解成氢和氧作为火箭燃料之用。
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。
2009年HiRISE的影像中发现火星岩石的圆柱节理。这种节理必须要有水才能形成。为了形成圆柱节理的平行裂缝，多次的冷却是必要的，而水是最可能的选项。科学家估算出水必须间歇地存在数月至数年。
火星马尔提谷的玄武岩柱状节理。
爱尔兰巨人堤道的玄武岩柱状节理。
黄石国家公园的柱状节理。
HiRISE的大量影像中可看出表面有大面积的浅色调沉积地层（light-toned layered deposits）。这些30-80米深的沉积物被认为是因为水的流动而形成。这些地区有古代河道系统的证据。更进一步以MRO上的火星专用小型侦察影像频谱仪（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer）观测化学组成发现与水相关的矿物：蛋白石（水合氧化硅）和硫酸亚铁。这些矿物会在低温酸性溶液中和玄武岩产生化学反应形成。以上特征显示浅色调沉积地层是火星在赫斯伯利亚纪有长时间的降水和地表水流的证据。
火山喷发时会分出富含水蒸气和二氧化碳的气体。因此早期火星大气因为火山喷发的关系，厚度超过地球大气。从火山喷出的水蒸气可能足以使火星表面被120米深的水淹没。此外，大气中大量的二氧化碳会吸收红外线的热能，产生温室效应造成火星温度上升。所以塔尔西斯的熔岩喷发可能使远古的火星跟地球很类似。古代火星可能有浓密大气、海洋、湖泊存在。
以下影像是来自不同探测器的火山特征。
塔尔西斯区域指出主要地型特征的地图。塔尔西斯有太阳系最高的火山－奥林帕斯山。什洛尼尔斯小火山虽然在图中看起来很小，但它的高度相当于圣母峰。
火星全球探勘者号上的火星轨道摄影机拍摄较低的什洛尼尔斯小火山（Ceraunius Tholus）和较高的尤瑞尼尔斯小火山（Uranius Tholus）。什洛尼尔斯小火山的高度相当于圣母峰。
2001火星奥德赛号上的热辐射成像系统（Thermal Emission Imaging System, THEMIS）拍摄的欧伯山。这些长椭圆型特征是因为倒塌进空的熔岩管。欧伯山位于埃律西昂区。
水手9号拍摄的埃律西昂山。
根据火星全球探勘者号上的火星卫星激光测高仪（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）绘制的埃律西昂山地形图。点选影像可看到相对的赫克提斯山（Hecates Tholus，上）、埃律西昂山（中）和欧伯山（下）。
火星全球探勘者号拍摄的赫克提斯山。
赫克提斯山的地形图。
欧伯山与周围地区的地形图。
2005年7月28日，ESA公布火星上一个撞击坑被水冰部分填满；部分人士甚至推测这个发现是一个“冰湖”。该撞击坑的照片是由火星快车号（Mars Express）上的高分辨率立体相机（High Resolution Stereo Camera，HRSC）拍摄；影像中显示明显的一层冰在北方大平原某个当时未命名，位于北纬70.5°，东经103°的撞击坑。这个撞击坑直径约35公里，深度约2公里。
撞击坑底部和冰层表面高度差约200米。ESA的研究人员认为主要原因是因为冰层下部分可见的沙丘。虽然科学家没有提出进一部理论指出这是冰湖，但目前证据可以证明这是水冰，而且这一区水冰在火星上是全年存在。水冰和永久冻土的沉积物可在火星表面多个地方被发现。
火星南半球的埃律西昂平原（Elysium Planitia）已经发现一些与流冰有关的地表特征。这些被观测到的片状区域约有30公里长和30公里宽，位于一些河道之中；而这些河道位于深度和宽度相当于北海的平原上。这些片状区域有破碎与旋转的特征，和其他熔岩形成的片状区域有明显差异。水流的来源被认为是来自附近科柏洛斯槽沟（Cerberus Fossae）的断层，估计该断层喷出水的时间维持200至1000万年，但并不是所有研究人员都同意这说法。
冰川在火星表面广大地区形成许多可以可以被观测到的地形特征。这些地区大多在高纬度，尤其是Ismenius Lacus区被认为仍然有大量的水冰。最近的证据让许多行星科学家相信水冰仍然在火星表面以冰川形式存在，且表面覆盖一层可以隔热的薄岩石。2010年三月科学家释出在都特罗尼勒斯桌山群（Deuteronilus Mensae）的雷达探测影像，在该区找到冰存在于数米岩石下的证据。一般相信冰川是和锐蚀地形（Fretted terrain）、许多的火山、甚至是一些撞击坑一起出现。冰川表面上残余物的顶端显示冰移动的方向。一些冰川的表面因为底下的冰升华的关系而相当粗糙。冰直接升华成水蒸气且留下空洞使冰川上的物质坍塌进空洞。冰川并非只有冰，而是带有许多岩石和表土，冰川也会丢下其携带的物质形成类似山脊的地形，被称为冰碛（moraine）。火星有些地方有许多扭曲的冰碛群；可能是因为冰碛形成后又因为其他的运动而造成。有些大块的冰从冰川掉落并且埋在地表以下，当这些冰溶化时或多或少留下一些空洞，在地球上这类地形被称为壶穴。在纽约州的蔓苳双湖公园（Mendon Ponds Park）可见到一些相同地质作用造成的壶穴。以下HiRISE拍摄莫罗撞击坑（Moreux Crater）的影像就显示可能的壶穴地形。
其他影像显示许多种与冰川存在有关的地形特征。
火星全球探勘者号拍摄Eridania区内开普勒撞击坑北方一个撞击坑内的河道和可能的古代冰川残余。一个影像右侧可能的冰川类似舌头状。
HiRISE拍摄的科勒槽沟（Coloe Fossae）内的Lineated Valley Fill。比例尺500米。位于Ismenius Lacus区。
火星全球探勘者号拍摄的舌头状冰川。位于希腊区。
一般相信火星的北极冰帽（北极高原，Planum Boreum）和南方冰帽（南极高原，Planum Australe）会在冬季形成厚冰层和在夏季部分冰冠升华。火星快车号的资料显示，2004年时火星南极冰帽平均厚度约3公里，由水冰和干冰组成，干冰的组成比例与纬度有关。冰帽是85%干冰和15%水冰组成。火星冰帽的第二个组成部分则是从火星冰帽下降到附近平原的陡坡，几乎都是由水冰形成。第三个组成部分则是围绕在外侧的广大永久冻土层，从斜坡底往外延伸数十公里。NASA的科学家计算如果火星南极冰帽的水冰全部融化，将可淹没火星表面，水深11米。
2009年根据MRO上的雷达测量资料计算出火星北极冰帽的水冰体积约为82.1万平方公里。这相当于格陵兰30%的大陆冰川或者覆盖火星表面5.6米（用北极冰帽体积除以火星表面积）。
许多科学家长年以来认为火星表面部分区域很像地球上的冰缘（Periglacial）区，或者也可以说这些区域就是永久冻土。许多观测显示有冰层存在于这类地区底下。在高纬度地区常可见到所谓的“图案地”（Patterned ground），可以见到许多种不同的形状，如条纹和多边形。在地球上这种地形是因为土壤中的水分冻结和融化而引起。其他还有许多证明火星地表下有大量水冰的证据，例如围绕在锐利地形特征的区域软化。地表下有冰的证据除了地表上明显特征以外，2001火星奥德塞号的伽马射线光谱仪（Gamma Ray Spectrometer, GRS）的观测结果和凤凰号火星探测器的直接探测也提供许多证据。
地表的多边形特征。
斯匹次卑尔根岛的石环。
从上方看的冰楔（Ice wedge）。
凤凰号火星探测器在火星北极的登陆地点附近是有大范围图案地特征的平原。
这张照片是在直升机上拍摄的加拿大所属北极地区。
有多边形特征的图案地多与地表的冰有关。这张火星全球探勘者号的图片位于约北纬45度的区域，可看到图案地，在如此远离极冠的区域相当罕见。
火星有些区域有许多类似地球上熔岩流过冰冻地表形成的椎状地理特征。熔岩的热会将冰融化，使水冰变成水蒸气。水蒸气的强大力量穿过熔岩形成椎状特征。在以下影像，大型的椎状物是因为水蒸气穿过厚熔岩层而形成。
HiRISE拍摄到阿萨巴斯卡谷（Athabasca Vallis）内的椎状地形。这些地形是因为熔岩和冰的交互作用形成。在影像上方的大型椎状物则是水或水蒸气的力量穿过厚熔岩层。红色代表地势较高区域，比最低的深蓝色区域高约170米。
HiRISE拍摄到根部消失的椎状物。这一连串的环形成的解释可能是因为地壳在水蒸汽的源头上方移动。这些水蒸气是因为熔岩和水冰的交互作用产生。
火星部分地形有贝状沉降的特征。这样的特征被认为是富含冰沉淀物的残余，贝状是因为冰从冻土中升华后留下的。这些覆盖物可能是当火星自转轴改变造成气候变化时，从大气中以冰的形式附着在尘埃上降下。这些贝状特征有数十米深和长度延伸约数百至数千米，而形状几乎都是圆形或长椭圆形。有一部分地形看起来是因为河流造成大规模凹坑地形；造成这种地形的原因可能是水冰从缝隙中升华。在贝状地形可以看到许多多边形裂缝，是冰冻地表的特征。
HiRISE拍摄的佩纽斯山（Peneus Patera）贝状地形。贝状地形在火星相当常见。
HiRISE拍摄的贝状地形形成阶段，位于希腊区。
现在已经确定在地球上找到的陨石有超过三十块是来自火星。这些火星陨石让科学家有难得的机会分析火星的岩石。有些火星岩石显示它们在火星时是曝露在水中。
1983年一篇作者是 M. R. Smith 等人的论文表示，被称为 SNC （Shergottites, Nakhlites, Chassignites）群的火星陨石是来自火星；证据是来自仪器分析和放射化学的中子活化分析。他们发现 SNC 陨石的化学、同位素与岩石学特征都符合火星的岩石，数年后再由 Treiman 等人以类似方法进一步确认。之后在1983年下半年， Bogard 等人的研究显示辉玻无球陨石（Shergottites）中许多种稀有气体的同位素比例与海盗号在1970年代中期探测火星大气层的资料相符合。
2000年一篇 Treiman, Gleason and Bogard 等人的论文研究当时已经发现的14颗来自火星的 SNC 群陨石；他们在文章中表示：“这些 SNC 群陨石有少许可能性并非来自火星，如果这些陨石来自其他行星的岩石，那应该正如我们所理解的，应该比例与火星大幅度相同”。
有些火星陨石是含玄武岩的辉玻无球陨石。这些看起来含有水合碳酸盐和硫酸盐的矿物可能在被弹入太空时暴露在水中。这代表这些陨石还在火星时是在水中的。第一个辉玻无球陨石叫做休格地陨石（Shergotty meteorite）是1865年落在印度休格地（Sherghati）。
另一种陨石，辉橄无球陨石（Nakhlites）则是在大约6.2亿年前暴露在水中，并在约1075万年前因为小行星撞击而被弹出火星，约1万年前落到地球。目前已知7颗辉橄无球陨石。第一颗辉橄无球陨石是1911年落在埃及亚历山大的奈克拉陨石（Nakhla meteorite），重量约10公斤。最新发现的辉橄无球陨石是2003年12月15日在南极洲被发现。
1996年时确认许多火星生命曾经存在于火星上的证据。1996年时一群科学家报告在火星陨石ALH 84001发现化学化石（chemical fossils）。但有许多研究对于该陨石中是否有化石有许多争议。例如已经发现许多在ALH 84001内的有机化合物其实是在地球上的。一篇发表在《Geochemical and Meteoritic Society》的论文表示，使用更高分辨率的电子显微镜可能会比13年前的研究更好。
有许多湖底盆地在火星上被发现。许多湖的大小与地球上最大的几个湖，如贝加尔湖、黑海、里海相当。这些湖泊的水则来自于发源自南方高原的峡谷系统。一些湖泊被认为是因为降水而形成，其他的则被认为是因为地下水而形成。
2010年1月发表的研究认为火星在赤道的部分区域有直径约20公里的数个湖泊。虽然早期的研究显是早期火星有一段温暖潮湿的时期，这些湖泊是在赫斯伯利亚纪形成。应用火星侦察轨道器的高分辨率影像，研究人员认为早期火山活动的增加、撞击事件或火星轨道的变化让温暖时期火星的大气层足以溶化大量地表的冰。火山也许放出气体暂时使火星大气层气体含量增加，吸收较多来自太阳光的能量使温度升高到足以让液态水存在。在这个新的研究中，河道在连接湖底盆地的阿瑞斯谷附近被发现。当湖泊被水充满，湖水将溢流形成河道进入较低区域，使另一个湖泊形成。这些湖泊将会是寻找现在或过去火星曾有生命证据的地方。
研究人员发现一些由火星湖泊形成的数个三角洲；这是火星曾经有大量水的主要证据。三角洲必须在长时间下有足够深的水才能形成，所以古代火星应该有大量稳定的水以避免沉积物被冲刷殆尽。湖泊造成的三角洲在火星上是很常见的地理特征。以下图片是三角洲的例子：
Ismenius Lacus区的三角洲，由THEMIS拍摄。
月沼区的三角洲，由THEMIS拍摄。
Margaritifer Sinus的三角洲 ，由THEMIS拍摄。
霍顿撞击坑（Holden crater）内往东北向可能的三角洲，位于Margaritifer Sinus区。火星全球探勘者号拍摄。
火星海洋假说推断火星表面曾有三分之一被海洋覆盖。这假设的古代海洋，称为Oceanis Borealis可能在约38亿年前存在于现在的北方大平原。早期的火星可能有较现在温暖的气候和较厚的大气层，提供液态水可在火星表面存在的环境。
现代火星许多地理特征是火星曾经存在海洋的证据。火星的沟渠网会合并入一个较大的河道，这暗示有液态水进行侵蚀作用，类似地球的旧河道。有些约25公里宽和数百米深的巨大河道显示水流似乎是从南方高原的地下水层流入河道最后进入北方平原。
在地球物理研究期刊发表的一篇论文揭露古代的火星被认为有更密集的河道。火星上峡谷最密集的地区可以和地球类似区域相类比。该研究团队开发一个计算机程序，以寻找U形地形结构的方式来确定峡谷位置。大量的峡谷系统是火星古代有降雨的证据。火星全球的峡谷分部模式则可用火星曾在北半球有个广大海洋解释。北半球曾有海洋的假说也可以解释为什么火星峡谷系统有个南方分布边界。火星的最南方区域位于存水区最远处，可能只有极少降雨量，无法形成峡谷；火星南方缺少降雨也可以解释为什么火星的峡谷越往南方就越浅。
火星北半球大部分地区地势比火星其他区域明显低很多（参见火星分界），而且极为平坦。在这些区域边缘的地质和地理特征指出这些区域是古代的海岸线。海平面一定是万有引力的等势面。经过因为火山活动造成极点飘移的校正后，火星的古代海岸线也符合重力等势面。火星卫星激光测高仪（Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA）精确测定火星表面的高程后，发现火星古代的分水岭覆盖火星表面三分之一。
液态水要能在火星表面存在必须要有较温暖气候和较厚的大气层。现在的火星气压只在地势较低处刚好超过三相点的压力（6.11百帕）；在地势较高处只有水冰和水蒸气能存在。火星表面的年平均地表温度少于210° K，远低于能使液态水存在的温度；但是，火星早期也许有适合液态水在火星表面存在的条件。
最近的模拟计算显示，火星古代可能的海洋水量与地球海洋的水量相当。
火星古代海洋的水可能逃逸到大气或凝固在南北极冰帽，也可能在土壤之中。
火星古代是否存在海洋在许多科学家之间引起争议。火星侦察轨道器的高分辨率成像科学设备在火星古代海洋发现大型的圆石块，但这些圆石块应该是只在细颗粒泥沙中被发现。这些地表特征对于火星古代是否有海岸线造成挑战；这也可能是因为火山而形成。
就目前人类所知道的生命型态都需要水。一般相信火星曾经有大量的水可以形成湖泊和大规模的峡谷。在火星地表下已发现大量冻结的水冰。尽管如此，仍然有许多尚待解决的课题：火星液态水存在火星表面的时间、液态水是否曾经存在火星表面、是否有过适合生命存在的特殊环境、火星生命在火星的环境转变成对生命不利以后是否还长期存在、火星生命能否存在于高盐分和强酸环境，以及火星表面的水是否存在足够长的时间让生命足以发展和演化。
火星许多区域长时期都相当干燥，否则橄榄石应该已被水分解；另一方面，在火星许多地方发现的黏土和硫酸盐表示火星表面曾经有液态水。硫酸盐的存在引出一些问题：硫酸盐是在酸性环境中形成的，因此这引发生命是否能在酸性环境中生长的问题。但是，生命能否在酸性环境中出现也是未解决的问题。含有大量盐的土壤可能是生命存在的阻碍。盐长期以来被人类用来作为防腐剂，因为许多生物不能存在高浓度盐水中（嗜盐生物是例外）。凤凰号在火星土壤中发现高氯酸盐，一种高氧化性的化学物质。虽然一些生物会利用高氯酸盐，但对于大多数生物而言这是有毒物质；其他研究人员表示火星某些区域可能对于生物的毒性较低。碳酸盐并不会在酸性溶液中形成，但是在落到地球的火星陨石中可以找到。另外凤凰号火星探测器和火星侦察轨道器的CRISM光谱资料中也发现碳酸盐的存在。
火星探测漫游者团队中的班顿·克拉克（Benton Clark III）认为火星如果曾经存在微生物，也许可以用几百万年时间适应环境。确实，一些生物确实可以用一段短时间适应极端环境。在地球上永冻层50米深处的研究发现，一半在一千万年前死亡的微生物可以从放射性同位素的衰变累积足够的辐射；但如果生物每隔数百万年重新出现，生命体本身将可以自我修复，尤其是DNA；其他科学家也同意这一点。在地球上一些极端环境中发现生物的存在让人类对于在火星上找到生命更加抱持希望。地球上的微生物可以在加拿大的北极区或南极冰川下三公里处生存，因此也可能有微生物在火星的冰冠底下生存。在1980年代有人主张微生物可能可以在地表下数米处生存；今日我们知道有多种微生物可以在地下超过一公里深处存活。有些生物可以利用火山活动是放出的甲烷、氢、硫化氢等气体维生。火星可能曾经有广泛的火山活动；因此火星古代如果有生命，可能会在靠近火山的区域或者是可以保留高热岩浆的地下区域。有些生物可以生存在玄武岩（火星上最常见的岩石）内，并产生甲烷。目前已有对火星上的甲烷进行研究。最近有人主张火星上的甲烷有部分是因为火星上的生物产生的，因为甲烷无法在火星大气层中长期存在。有些生物会以硫化物为食物；在火星上大片区域也能找到相同的硫化物。部分科学家主张有许多群生物可以在靠近火山的高地热区存活。研究显示有些种类生物可以在极高温(80° to 110°C)下存活。因为火星上曾有许多火山活动，有人认为火星上可能还有尚未完全冷却的区域。地下的熔岩管道也许可以将地下的冰溶化，之后水流往地表。类似黄石国家公园内温泉遗迹的地理特征已经被火星侦察轨道器发现。和温泉相关的矿物，如蛋白石和硅石已经被精神号火星探测车发现，火星侦察轨道器的影像中也发现相关矿物。奥林帕斯山等火山被认为在火星上是相对年轻的地质构造，但目前在这些火山表面并未发现高温区域。火星全球探勘者号使用TES对火星地表进行大量的红外线影像摄影。火星奥德赛号的THEMIS也使用红外线对火星表面进行摄影以测定地表温度。
火星的大气层极为稀薄；但仍然有水蒸气。地球上有些种类生物可以在类似的环境下生存。国际太空站内一个叫做Expose-E的实验中发现，丽石黄衣（Xanthoria elegans）这种地衣可以在接近真空的状态下存活18个月。
液态水在火星表面存在的可能性已经有相关实验进行过。虽然液态水在火星表面可能会立刻沸腾或蒸发，湖泊大小的水体可能会快速被一层冰覆盖，而这层冰可以减少蒸发。如果水冰上被尘土或其他沉积物覆盖，冰下的水就可以保存一段时间，甚至可以成为在冰下流动的冰下河。大量的水可能会因为小行星的撞击而流出；因此有的研究认为有些火星生命已经在火星存活几百万年，它们可以靠着彗星或小行星的周期性撞击使冰溶化的过程中从休眠恢复并存活数千年；但如果撞击带走水，液态水就可能长期在火星表面消失。一般认为当撞击事件可以造成巨大洪水，使火星上的巨大河谷在短时间（可以只有数天）内形成。现在一般认为火星曾有大量的水是因为有许多巨大的河谷的存在；也许火星的河谷并不像地球的河谷需要数亿年的时间形成。在美国华盛顿州东部的巨大河谷系统相当类似许多火星河谷；而该河谷可能是因为古代一个因为巨大冰墙形成的堰塞湖溃堤形成的巨大洪水冲蚀，在短时间内形成；因此现在的火星可能无法包含大量的水，也无法提供足够的水让生命有够长的时间存在。
我们知道生物可以适应环境的变化。有一种土壤中的变形虫，Naegleria gruberi可以快速长出两条鞭毛来游泳。但周围环境变得干燥时，它可以变成一个硬囊肿以保持适度和温度以再次变成变形虫。
研究显示在火星土壤中发现多种可以抗冻的盐类，可以让水在冰点下数度仍保持液态。有的计算显示少量的液态水也许可以在火星表面数个地方存在数小时。有些科学家考虑隔热和压力的状况进行计算，结果显示液态水可以在一些地区存在十分之一个火星年之久；其他研究人员则是预测液态水只能存在2%火星年的时间。无论哪个结果，这样的水量已经足够让一些耐干燥的生物生存。这些耐干燥的生物也许不需要大量的水；在地球上已经发现一些生物可以生存在极薄的液态水中，而这些水是位在冰冻区。2009年12月，有研究显示液态水可以在水星的白天形成雪。当太阳的热能加热冰，冰可能会加热和冰一起存在的土壤；这些被加热的土壤将可以储存热能，融化冰形成水。这样的过程已经在地球的南极洲被发现。足够维持生命的水可以在物理、化学和生物的过程中形成。
2005年4月1日，NASA官方网站有张图是“火星上的水”，但实际上是一杯水放在两条“Mars Bar”牌巧克力棒上。
