Mô hình về quá trình tiến hóa của khí quyển Sao Hỏa miêu tả ở trên không giải thích hết mọi chi tiết đã quan sát được.

Một trong các câu hỏi còn đang nằm trong tiêu điểm khám phá là "nước của Sao Hỏa đã đi đâu?". Các dấu vết bề mặt về sự xói mòn đất đá của nước hay các lòng sông suối đổ ra biển đã cạn cho thấy rõ nước và hơi nước đã từng tồn tại trên Sao Hỏa. Tại sao ngày nay nước đã biến mất?

Nhiều giả thuyết đã được đặt ra. Đáng kể nhất là giả thuyết về hiện tượng hiệu ứng nhà kính không hồi phục và va chạm thiên thạch. Giả thuyết đầu tiên cho rằng thán khí trong khí quyển Sao Hỏa đã làm nóng bầu khí quyển đến mức làm tăng khả năng bốc hơi nước trong khí quyển. Hơi nước bay lên tầng cao, bị tia cực tím phá hủy thành hydrô và oxy. Các nguyên tử này, đặc biệt là hydrô rời trọng trường yếu của Sao Hỏa. Các nguyên tử ôxy không đủ nhanh để rời khí quyển thì cũng bị mất trong quá trình ôxy hóa bề mặt, tạo nên lớp bụi ôxít sắt. Giả thuyết thứ hai cho rằng một vụ va chạm với một thiên thạch khổng lồ đã thay đổi vĩnh viễn bầu khí quyển Sao Hỏa. Một số dấu hiệu trên bề mặt hành tinh có thể được cho là dấu vết của vụ va chạm mạnh này. Các chương trình thám hiểm đã được đề nghị để kiểm tra giả thuyết này bằng cách đổ bộ lên hai vệ tinh tự nhiên của Sao Hỏa (Phobos và Deimos) và tìm lại những mảnh bắn ra từ vụ va chạm bị giữ lại tại hai vệ tinh này.

Ngoài câu hỏi trên, cũng tồn tại các câu hỏi khác liên quan đến quá trình tiến hóa của khí quyển Sao Hỏa như "tại sao tỷ lệ thán khí cao?" hay "tại sao có mêtan?".