水手号谷（Valles Marineris），或称为水手号峡谷、水手峡谷或水手谷，命名来自水手9号，是火星最大的峡谷，也是太阳系最大最长的峡谷。位在塔尔西斯火山高原的东侧，长3769公里、最深处7公里，成一个复杂的峡谷系统，是地壳拉张陷落而形成，可与地球的东非大裂谷相比较。水手号谷东西范围为东经267.3度至东经331.1度，即西临诺克提斯迷宫、往东进入大片混沌地形；南北范围则是南纬2.96度至南纬19.09度。
曾经有许多关于水手号谷如何形成的理论。1970年代认为是受到水的侵蚀或冰川地区的永久冻土溶化造成的热喀斯特（thermokarst）作用。热喀斯特是比较可能的效应，但水的侵蚀作用则不太可能，因为火星表面大气压只有地球的 1% 和温度只有148~310 K 的状况下不太可能存在液态水；但科学家认同火星过去可能有流动的液态水。水手号谷可能是在过去由液态水侵蚀而形成。McCauley 于1972年提出另一个假设是水手号谷可能是因为表面下的岩浆流失造成表面下陷而形成。约 1989年 Tanaka 和 Golombek 提出可能是由张力造成的破裂造成。今日最被认同的理论则是类似东非大裂谷的形成机制，之后再因为峭壁的山崩和侵蚀使其扩大。尼克·霍夫曼认为其中一个侵蚀物来源是诺克提斯迷宫下含二氧化碳层的解压造成。因为当固态二氧化碳因为压力降低转变成液体或气体时会以高速进入火星大气层。
因为水手号谷被认为是大型裂谷，它的形成和塔尔西斯隆起的形成有密切关系。塔尔西斯隆起的年代是从诺亚纪（Noachian Period）到赫斯珀利亚纪（Hesperian Period）晚期分三个时期形成。塔尔西斯形成的第一个时期是火山活动和均衡隆起；但不久后火山活动加载在地壳上的某个点无法再支撑塔尔西斯增加的重量，导致大量的地堑围绕在突起的塔尔西斯隆起旁。第二个时期则是更多的火山活动和失去地壳均衡；火山活动的来源区域不再位于塔尔西斯之下，这对地壳造成了非常大的负重。最后火星地壳无法再支撑塔尔西斯和其放射状结构，形成了水手号峡谷。第三个时期则是大量火山活动和小行星撞击；已达到破裂点的地壳区域就停在当地并形成年轻的火山。塔尔西斯的火山活动是喷出非常低黏度的岩浆，形成类似夏威夷群岛的盾状火山；但这是因为火星上并无板块运动，火星上的热点只能停留在一个固定区域，形成了太阳系中最巨大的几个火山，包含奥林帕斯山。火星全球探勘者号对该区域的的激光测高资料发现该区域是位于以前的海洋地壳，这暗示在裂谷形成以后曾经发生过变质作用。
位在水手号谷裂谷系统最西缘，叙利亚高原（Syria Planum）北方和帕弗尼斯山（Pavonis Mons）东方的诺克提斯迷宫（Noctis Labyrinthus），是由多个极为破碎的区域组成的大面积地块。这个区域也包含了围绕在这个广大的古老区域周围的许多不同走向的峡谷。大部分该地块最上层区域是由被认为是塔尔西斯形成时火山活动造成的破碎物质组成；其他区域则是由同样造成塔尔西斯的火山活动造成的较古老破碎物质组成，和较晚形成物质的差异在于较新的物质比较粗糙，且表面较多撞击坑。这些地块的侧面则是由被认为是基底岩盘的未分裂物质组成。在地块之间的空间主要则是由粗糙或平滑的物质组成。粗糙的谷底物质倾向于聚集在诺克提斯迷宫的东部，被认为是覆盖住崎岖地形或山崩区域的峡谷峭壁落下或风积物质。平滑的谷底物质被认为是覆盖住崎岖或复杂地形的水流冲积或风积物。诺克提斯迷宫这种地形主要是在外流浚道的一端被发现，就像火星探路者和其探测车探测的区域。一般认为这是与地表下水流经历灾难性洪水后流失形成断层造成该区域下陷；这些流体可以是干冰或水。一般认为是水造成的，因为如果火星上有液态水，会让人类更容易探索火星；但是尼克·霍夫曼提出假设，认为这是固态或液态二氧化碳流动造成则引起争论，所以一直未能通过修正案。
奥德曼斯撞击坑（Oudemans crater）以东是互相平行的伊乌斯峡谷（Ius Chasma）和提托努利林峡谷（Tithonium Chasma）伊乌斯峡谷在南方，而提托诺恩峡谷在北方。伊乌斯峡谷较宽，东端和米拉斯峡谷连接。伊乌斯峡谷底部中间之下有一个山脉，称为革律翁山脉（Geryon Montes），是由不分层的岩石组成。伊乌斯峡谷底部主要是由山崩滑动的物质组成，这些物质是几乎未受过撞击或侵蚀影响的原始物质，结构是多个束状，且互相覆盖。伊乌斯峡谷南侧的峭壁相对于较短的北侧而言有较多的短峡谷分支到南方。这些峡谷在其一端边缘有短而宽的区域，类似地球上科罗拉多高原靠近大峡谷的区域，看起来是地下水掏蚀（Groundwater sapping）造成。而这些区域是位于峡谷的顶端，是发育良好的天线形状U型峡谷，其曲面受到地下水掏蚀，而这类峡谷是受到持续的侵蚀和峡谷两侧峭壁崩塌而形成。提托诺恩峡谷非常类似伊乌斯峡谷，除了在南侧峭壁缺乏掏蚀特征以外和包含少量类似平坦地形特征区域的物质；但这些物质看起来像风积作用的落下物。这两个峡谷之间的地表则是由较年轻的熔岩流破碎地形和来自塔尔西斯隆起的张裂断层组成。
再往东是三个平行的峡谷，自南向北分别是米拉斯峡谷（Melas Chasma）、堪德峡谷（Candor Chasma）和俄斐峡谷（Ophir Chasma）。米拉斯峡谷在伊乌斯峡谷东方、堪德峡谷在提托诺恩峡谷东方、俄斐峡谷看起来是椭圆形的，并流入堪德峡谷。这三个峡谷是相连的。米拉斯峡谷的底部有 70% 是大量较年轻的物质、被认为是被风夹带的火山灰落在风积地形。这区域也包含了自峡谷断崖侵蚀的粗糙物质。而米拉斯峡谷的中间高程比其他区域高，这可能是峡谷谷底其他区域物质落到中央的缘故。米拉斯峡谷周围是大量的崩积物质，就像伊乌斯和提托诺恩峡谷的情形。米拉斯峡谷也是水手号峡谷最深的部分，比周围的表面低 11公里；从这里开始，它的外流浚道坡度是向北方大平原 0.03度向上，这代表如果将米拉斯峡谷以流体注满，这些流体再流入北方大平原以前会先形成一个深度最深1公里的湖。
在堪德峡谷和米拉斯峡谷之间的峡谷系统的底部是槽状的底部物质，被认为是冲积层沉积物或因为水或冰消失造成崩溃的崩积物质。也有部分只能由撞击坑分布判定年老或年轻的大量底部物质由来是火山碎屑岩。也有大量被侵蚀的谷底物质像年轻或年老的大量物质，不过这些物质有风蚀的特征。也有少量尖塔状物质组成与峡谷峭壁一样是由不分层的物质组成。
这个峡谷系统再往东是科普来特斯峡谷（Coprates Chasma），非常类似伊乌斯和提托努利林峡谷，除了地理位置以外。科普来特斯峡谷也包含冲积物和风积物沉积物质。科普来特斯峡谷就像伊乌斯峡谷一样有多层沉积物，虽然在柯普来特斯峡谷的沉积物分层更加明显。这些沉积物的年代早于水手号峡谷系统形成以前，因此认为侵蚀和沉积作用是晚于水手号峡谷系统形成。来自火星全球探勘者号的较新资料显示这些地层的由来可能是火山造成连续山崩的崩积物一层层覆盖或者是液态水或冰的湖底，如果是湖底的话则水手号峡谷周围的峡谷可能曾经是因为侵蚀崩溃而形成的孤立湖泊。地层沉积物的其他来源可能是风吹造成，但地层状况显示风并非主要来源。同时也发现到只有上层是薄层，同时下层相当厚，这代表较低层是由大量岩石崩裂形成，较高层则是其他来源。有部分的地层可能因为山崩被转移到山谷底部，其中有一半是保持完好，但看起来像高度变形的地层，其底部会变厚或变薄，并且有多个褶皱，可在火星全球探勘者仪器 MOC 拍摄影像 #8405 中看到。这个复杂的地形可能只是来自一个古老湖底被侵蚀的沉积物，并且看起来很复杂；这是因为我们是以观看地质图的方式鸟瞰，尚无足够的高程资料证实底部是否平坦。
更往东方是厄俄斯峡谷（Eos Chasma）和恒河峡谷（Ganges Chasma）。厄俄斯峡谷西部的谷底主要是由因为火山或风积作用形成的沉积物受到火星风侵蚀后的被侵蚀的大量物质；其东部则是大面积的线状物和纵向条纹。一般认为是高原沉积物被流体侵蚀后搬运到当地沉积造成。恒河峡谷则是厄俄斯峡谷的一个东西走向分支峡谷。恒河峡谷的谷底主要是由来自峡谷悬崖的水流沉积物组成。
在厄俄斯和恒河峡谷东端是水手号峡谷的终点，流入火星北方大平原附属的克里斯平原，克里斯平原的高度只比水手号峡谷中的最低点（位于米拉斯峡谷）高约 1 公里。这个外流到北方大平原的区域地形相当类似于火星探路者的登陆地点。在地球上与火星上外流浚道（Outflow channels，暂译）类似的地形是美国华盛顿州东部的Channeled Scablands。华盛顿州东部的史卡布土地（Scablands，暂译）是晚更新世时冰坝形成米苏拉湖（Glacial Lake Missoula）和冰坝溃坝后产生的洪水多次循环造成的。冰坝可能会挡住河水一段时间，但当溃坝时冰可能会浮在大量的洪水中，而且大片区域的表层土壤和植被也会被带走，留下以泪滴状岛屿、纵向槽沟和河阶地为主的贫瘠地区。在火星上可在外流浚道看到类似地形，但规模更大。
这些向外水流连续地经由数个混沌地形：欧若拉混沌（Aurorae Chaos）和海德拉奥特斯混沌（Hydraotes Chaos），最后经由西穆德谷和提尔谷进入克里斯平原。
