Có hai hệ thống xác định thời gian địa chất cho Sao Hỏa. Hệ thống thứ nhất dựa trên mật độ miệng hố va chạm, và được chia làm ba thời kỳ: Noachian, Hesperian, và Amazonian. Hệ thống còn lại sử dụng các đặc điểm khoáng vật học, cũng có ba thời kỳ: Phyllocian, Theikian, và Siderikian.

Những quan sát và mô phỏng gần đây đang cung cấp thông tin không chỉ về hiện trạng khí hậu trên Sao Hỏa mà còn về quá khứ của nó. Khí quyển Sao Hỏa từ lâu đã được giả thuyết Noachia cho rằng là giàu cacbon điôxít. Tuy nhiên, các quan sát gần đây về sự lắng đọng của khoáng vật đất sét trên Sao Hỏa và hiểu biết về các điều kiện hình thành đất sét[5] đã cho thấy rằng có rất ít cacbonat có trong đất sét của thời đại đó. Sự hình thành đất sét trong môi trường giàu carbon đioxit luôn luôn đi kèm với sự hình thành cacbonat, mặc dù cacbonat sau này có thể được hòa tan bằng axit có trong núi lửa. Như vậy, trong quá khứ khí quyển Sao Hỏa có thể không phải là môi trường giàu cacbon đioxit.

Việc khám phá ra các khoáng chất được hình thành trong môi trường nước trên Sao Hỏa bao gồm hematit và jarosite, bởi xe tự hành Opportunity, và goethite, bởi xe tự hành Spirit, đã dẫn đến kết luận rằng các điều kiện khí hậu trong quá khứ đã cho phép nước chảy tự do trên Sao Hỏa. Hình thái học của một số hố va chạm trên Sao Hỏa cho thấy mặt đất bị ướt khi xảy ra va chạm.[6] Các quan sát địa hình về tốc độ ăn mòn cảnh quan[7] cũng như các mạng lưới thung lũng Sao Hỏa[8] cũng gợi ý rằng Sao Hỏa ở thời kỳ Noachian, khoảng 4 tỷ năm trước, là ấm hơn và ẩm ướt hơn. Tuy nhiên, phân tích hóa học của các mẫu thiên thạch Sao Hỏa cho thấy nhiệt độ bề mặt của Sao Hỏa dường như thấp hơn 0 °C trong bốn tỷ năm qua.[9]

Một số nhà khoa học cho rằng khối lượng lớn của núi lửa Tharsis đã có ảnh hưởng lớn đến khí hậu của Sao Hỏa. Sự phun trào các núi lửa sinh ra lượng khí lớn, chủ yếu là hơi nước và CO2. Khí được phun ra từ các núi lửa có thể đủ nhiều để tạo nên bầu khí quyển Sao Hỏa trong quá khứ dày đặc hơn cả Trái Đất. Các núi lửa cũng có thể đã phun ra lượng nước đủ để bao phủ bề mặt Sao Hỏa trong một đại dương nước với độ sâu 120 m (390 ft). CO2 là một chất khí hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ của hành tinh này, bằng cách hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Vì vậy, núi lửa Tharsis, bằng cách thải CO2, có thể làm cho Sao Hỏa giống Trái Đất hơn trong quá khứ. Sao Hỏa đã từng có bầu khí quyển dày và ấm hơn, và các đại dương hoặc hồ nước có thể đã xuất hiện.[10] Tuy nhiên, rất khó để xây dựng một mô hình khí hậu toàn cầu cho Sao Hỏa trong đó có nhiệt độ trên 0 °C tại một thời điểm nào đó trong quá khứ,[11] mặc dù có thể khó khăn chỉ đơn giản nằm ở các vấn đề trong việc hiệu chuẩn các tham số của mô hình.