Aujourd'hui planète froide et sèche, apparemment dépourvue d'eau liquide en surface, on pense que Mars a dû connaître des conditions plus favorables à l'éclosion de la vie (notamment de température et de pression) dans le passé. De nombreux indices font penser que Mars a possédé dans le passé, de l'eau sous forme liquide. Les missions Viking ont fourni des images de la planète avec des vallées, interprétées comme étant d'anciennes vallées fluviales. On peut également discerner des traces de coulées de boue ou de glace. On suppose également que la quantité d'eau sur la planète était assez importante. Il y a en effet trois ou quatre millions d'années, Mars était beaucoup plus chaude et sa pression atmosphérique était alors beaucoup plus importante, permettant à l'eau liquide de rester en surface. (la température d'évaporation de l'eau est plus basse lorsque la pression est faible). Avec de telles conditions, de vastes océans et des réseaux fluviaux existaient sans doute, creusant des vallées de débâcle gigantesques, allant de 25 à 100 km de large et de 100 à 200 km de longueur.

Une des principales énigmes est de découvrir où se trouve cette eau actuellement. La seule forme d'eau encore "observée" à la surface de la planète est située dans les calottes polaires sous forme de glace, mais en quantité trop faible par rapport à ce qu'on pense avoir été présent dans le passé. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer cette disparition : soit cette eau se serait évaporée, soit elle serait contenue dans le sous-sol, sous forme de glace, dans ce qu'on appelle le pergélisol. Les résultats de la mission Mars Odyssey semblent être en faveur de cette dernière hypothèse.