En raison de son plus grand éloignement par rapport au Soleil, Mars reçoit nettement moins d'énergie solaire que la Terre. De plus, l'effet de serre à sa surface est moins important. Sa température moyenne annuelle est de -53°C (+14°C pour la Terre). Elle peut varier d'environ -125°C à +23°C. La planète connaît en outre des écarts thermiques journaliers qui peuvent s'expliquer par l'absence d'océans et par la ténuité de l'atmosphère. Sur Mars, la variation verticale de la température est très importante : un homme pourrait ressentir une différence de température d'une vingtaine de degrés entre sa tête et ses pieds.

Une particularité de l'atmosphère de Mars est son échange de matière avec les calottes polaires. Ces calottes sont constituées de glace, mais se recouvrent en hiver d'une couche de dioxyde de carbone (CO2). La taille de ces calottes varie donc beaucoup de manière saisonnière. Leur accroissement (en hiver) est dû à la condensation (passage de l'état gazeux à l'état solide) du CO2 atmosphérique, et leur diminution (en été) à la sublimation (passage de l'état solide à l'état gazeux), le CO2 retourne dans l'atmosphère.