火星与太阳平均距离为1.52AU，公转周期为687
地球日，1.88地球年（以下称年），或668.6火星日。平均火星日为24小时39分35.244秒，或1.027491251地球日。
火星自转轴倾角为25.19度，和地球的相近，因此也有四季，只是季节长度约为两倍。由于火星轨道离心率大，为0.093（地球只有0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。2009年10月26日为北半球春分，2010年5月13日为夏至，目前北半球处春季。
火星轨道和地球的一样，受
太阳系其他行星影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9万6千年和2.1百万年，于0.002至0.12间变化；而地球的是十万年和41.3万年等，于0.005至0.058间变化（见米兰科维奇循环）。目前火星与地球最短距离正慢慢减小。至于自转轴倾角，火星目前是25.19度，但可由13度至40度间变化，周期一千多万年，不像地球的稳定处于22.1和24.5度间，是因为火星没有如
月球般的巨大卫星来维持自转轴。也因没有大卫星的潮汐作用，火星自转周期变化小，不像地球的会被慢慢拉长，因此现今两行星的自转周期相近只是暂时现象。
火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。
二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。
火星地表地貌大部份于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：
奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较平坦的平原，两极皆有主要以水冰组成的极冠，而上覆的
干冰会随季节消长。
基于撞击坑密度的撞击坑计数法可判别出地表年龄：撞击坑大而密集处较老，反之则年轻，进而将地质年代分为四个阶段：前诺亚纪、诺亚纪、赫斯珀利亚纪和
亚马逊纪。前诺亚纪没有留下实质地表，此时地形南北差异形成，有全球性磁层；诺亚纪有大量陨石撞击，火山活动旺盛，可能有温暖潮湿的大气、河川和海洋，侵蚀旺盛，但到末期这些活动已减弱很多；赫斯珀利亚纪，火山活动仍然继续；亚马逊纪则是大气稀薄干燥，以冰为主要活动，如极冠、冰冻层、
冰河，并有周期性变迁，沟壑也是这时期形成，火山活动趋缓并集中在塔尔西斯与埃律西昂。
由于火星比地球小，相对
表面积与体积成反比而较大，因此火星核心的冷却得比地球快，地质活动趋缓，磁场和板块运动消逝，大气变薄使液态水无法稳定存在。
现今火星风成地形遍布，如吹蚀、磨蚀等风蚀作用，和沙尘遇地形阻碍而填积、侵积等风积作用。前者形成如广泛分布于梅杜莎槽沟层的风蚀脊，后者则如大瑟提斯高原上撞击坑下风处的沙尘堆积，和撞击坑中常见的沙丘。这说明火星有类似地球主要板块划分的构造特点。