Tidligt i sin historie kan Mars have haft en tykkere atmosfære, der kunne have skabt en drivhuseffekt, fange varme og tillade flydende vand at eksistere på overfladen. Nogle undersøgelser tyder på, at Mars kunne have haft globale oceaner, der dækkede meget af planeten.
Anden forskning tyder dog på, at Mars klima kan have været koldere end hidtil antaget, idet vand eksisterede i form af is nær eller på overfladen. Tilstedeværelsen af ældgamle floddale og deltaer tyder på, at vand med jævne mellemrum flød, men dette kunne være sket under kortvarige varme perioder eller på grund af lokal geotermisk aktivitet.
At forstå Mars' gamle klima er afgørende for at optrevle dens geologiske historie og afgøre, om det nogensinde kunne have understøttet liv. Igangværende missioner og forskning har til formål at indsamle flere data og forbedre vores forståelse af Mars' tidligere miljøer.