Atmosfer Mars terdiri dari empat lapisan yaitu eksosfer, atmosfer bagian atas, atmosfer tengah, dan atmosfer yang lebih rendah. Atmosfer Mars bagian atas memiliki suhu sangat tinggi yang disebabkan oleh pemanasan dari Matahari. Atmosfer tengahnya merupakan tempat mengalirnya uap panas, sedangkan atmosfer Mars yang lebih rendah umumnya merupakan daerah yang lebih hangat.
Tekanan atmosfer di permukaan Mars rata-rata 600 Pa atau sekitar 0,6% dari tekanan atmosfer Bumi (101,3 kPa). Selain itu, massa atmosfer Mars hanya 25 tera ton, dibandingkan dengan massa Bumi yang 5.146 teraton. Namun, seperti halnya Bumi, atmosfer Mars tersusun atas beberapa gas yaitu karbon dioksida, argon, nitrogen, serta element jejak gas lainnya seperti oksigen dan karbon monoksida.
Karbon dioksida (95,32%)
Karbon dioksida (CO2) adalah komponen utama atmosfer Mars dengan persentase sekitar 95,32%. Setiap kutub di planet ini tetap berada dalam kegelapan secara terus-menerus selama musim dingin. Hal ini menyebabkan permukaan planet mars menjadi sangat dingin, sehingga hampir 25% karbon dioksida di atmosfer planet ini akan mengembun menjadi es karbon dioksida padat.Saat musim panas, Ketika kutub terpapar sinar matahari, es kering akan menyublim kembali ke bentuk gas. Kondensasi dan sublimasi karbon dioksida menyebabkan variasi tahunan yang signifikan terhadap komposisi atmosfer dan tekanan di dekat kutub Mars. Proporsi karbon dioksida di Mars jauh lebih tinggi dibandingkan dengan planet Bumi karena tanaman di Bumi akan mengubah karbon dioksida menjadi oksigen menghasilkan jumlah oksigen yang lebih tinggi dan kadar karbon dioksida yang lebih rendah.
Penelitian yang dilakukan oleh NASA menunjukkan bahwa atmosfer Mars dulunya adalah lebih padat, lebih tebal, lebih basah, dan terdiri dari karbon dioksida. Atmosfer yang dulunya padat ini ini akan menaikkan suhu di atas titik beku air sehingga menghasilkan air yang mengalir yang mungkin telah membentuk beberapa saluran dan lembah-lembah yang menjadi ciri permukaan planet ini.