Những đặc điểm địa chất kỳ lạ khiến hành tinh đỏ là một trong những khu vực thu hút nhiều sự chú ý nhất của giới nghiên cứu vũ trụ.
Nằm ở khu vực vòm núi lửa Tharsis, Olympus Mons là ngọn núi cao nhất trong hệ Mặt Trời với độ cao 25 km, gấp 3 lần Everest (8,9 km). Kích thước của Olympus Mons cũng tương đương với bang Arizona, Mỹ. Đây là ngọn núi hình khiên khổng lồ, hình thành do các dòng chảy dung nham độ nhớt thấp, trôi từ từ xuống các sườn núi. Trên đỉnh là miệng hố diện tích 85 km, hình thành do các hốc magma sụp đổ khi núi lửa phun trào. Với độ dốc chỉ 5%, đây sẽ là điểm đến tuyệt vời cho những người đam mê leo núi.
Khi khám phá Olympus Mons, bạn nên đến cả những ngọn núi khác trong vòm núi lửa Tharsis. Khu vực này rộng 4.000 km, bao gồm 12 ngọn núi lửa khổng lồ. Có thể do Hỏa tinh có lực hút yếu hơn Trái Đất, những ngọn núi lửa ở đây lớn hơn nhiều so với ở hành tinh chúng ta. Theo NASA, những ngọn núi lửa này có thể đã hoạt động không ngừng trong suốt 2 tỷ năm - nửa chiều dài lịch sử Hỏa tinh. Hình ảnh trên cho thấy khu vực phía đông Tharsis, chụp bởi tàu Viking 1 vào năm 1980. Phía bên trái là ba ngọn núi lửa cao gần 25 km: Ascraeus Mons, Pavonis Mons và Arsia Mons, bên phải là Tharsis Tholus.
Hành tinh đỏ không chỉ có núi lửa lớn nhất hệ Mặt Trời mà còn có hẻm núi lớn nhất là Valles Marineris, chạy dài gần 3.000 km, gấp bốn lần hẻm Grand Canyon với độ dài 800 km. Giới khoa học không biết chính xác Valles Marineris hình thành như thế nào. Song, một số chuyên gia cho rằng sự hình thành khu vực vòm núi lửa Tharsis đã góp phần vào sự phát triển Valles Marineris. Dung nham di chuyển qua vùng núi lửa đã đẩy lớp vỏ lên trên, tạo ra vết đứt gãy ở các vùng khác. Theo thời gian, những vết gãy này phát triển thành Valles Marineris.
Ở hai đầu Hỏa tinh cũng có Bắc cực và Nam cực lạnh giá như Trái Đất. Cực Bắc đã được tàu Phoenix đổ bộ và nghiên cứu vào năm 2008, còn cực Nam chỉ được quan sát từ quỹ đạo. Trong suốt mùa đông, nhiệt độ xung quanh hai cực lạnh đến nỗi CO2 trong không khí ngưng tụ thành băng. Vào mùa hè, quá trình này đảo ngược lại và CO2 bốc hơi vào khí quyển. Ở Bắc bán cầu, CO2 biến mất hoàn toàn, chỉ để lại một chỏm băng nước. Nhưng ở Nam bán cầu, một số băng từ CO2 vẫn còn tồn tại trong bầu khí quyển. Sự chuyển động của loại băng này ảnh hưởng lớn đến khí hậu ở đây như tạo ra gió và các dạng thời tiết khác.
Miệng núi lửa Gale và núi Sharp sẽ là điểm đến thú vị vì có bằng chứng cho thấy trong quá khứ, nơi đây từng có nước. Tàu thăm dò Curiosity năm 2018 từng phát hiện nồng độ metan trong khí quyển tại đây thay đổi theo mùa. Metan là nguyên tố có thể được tạo ra bởi vi khuẩn hay các hiện tượng địa chất, mở ra hy vọng về khả năng sống của con người ở Hỏa tinh.
Medusae Fossae là một trong những địa điểm kỳ lạ nhất trên Hỏa tinh. Một số nhà nghiên cứu cho rằng địa hình này do một vụ tai nạn nào đó gây ra bởi UFO. Giả thuyết đáng tin hơn cho thấy cấu trúc này là mỏ núi lửa khổng lồ, lớn bằng 1/5 nước Mỹ. Một nghiên cứu cho rằng vài khối đá của Medusae Fossae là sản phẩm còn lại của những đợt phun trào núi lửa cực lớn thay đổi khí hậu Hỏa tinh. Theo thời gian, gió đã điêu khắc những tảng đá thành các hình dạng khác nhau.
Các vệt chảy dốc xuống miệng núi lửa Hale là đặc điểm kỳ lạ khác ở Hỏa tinh. Chúng có xu hướng hình thành trên mặt miệng núi lửa dốc khi thời tiết ấm áp. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa biết được đây là gì. Năm 2015, NASA tuyên bố đây là dấu hiệu của các dòng nước đã từng chảy qua, tuy nhiên các nghiên cứu sau đó cho thấy chúng có thể hình thành do nước trong khí quyển hoặc các dòng cát khô.
Ngày nay, bề mặt hành tinh thứ tư của hệ Mặt Trời được tạo hình bởi gió, vì nước đã bốc hơi hết khi bầu khí quyển mỏng đi. Nhưng vẫn có thể thấy nhiều bằng chứng về nguồn nước trong quá khứ, chẳng hạn như "đụn cát ma" ở Noctis Labyrinthus và lòng chảo Hellas. Những vùng này từng có các cồn cát cao hàng chục mét. Sau đó, dung nham núi lửa hoặc nước đã nhấn chìm số cồn cát này, bảo lưu chúng cho tới hàng tỷ năm sau, trong khi phần ngọn đã bị xói mòn. Những đụn cát cổ xưa cho thấy gió đã từng thổi như thế nào thời cổ đại, hé lộ phần nào về môi trường xa xưa của hành tinh đỏ. Có thể, vi khuẩn vẫn còn tồn tại trong đụn cát này do được che chở trước bức xạ và gió trên bề mặt Hỏa tinh.