Nước lỏng không thể tồn tại trên bề mặt Sao Hỏa do áp suất khí quyển của nó hiện nay rất thấp, ngoại trừ những nơi có cao độ thấp nhất trong một chu kỳ ngắn. Hai mũ băng ở các cực dường như chứa một lượng lớn nước. Thể tích của nước băng ở mũ băng cực nam nếu bị tan chảy có thể đủ bao phủ toàn bộ bề mặt hành tinh đỏ với độ dày khoảng 11 mét. Lớp manti của tầng băng vĩnh cửu mở rộng từ vùng cực đến vĩ độ khoảng 60°.Một lượng lớn nước băng được cho là nằm ẩn dưới băng quyển dày của Sao Hỏa. Dữ liệu radar từ tàu Mars Express và Mars Reconnaissance Orbiter đã chỉ ra trữ lượng lớn nước băng ở hai cực (tháng 7 năm 2005) và ở những vùng vĩ độ trung bình (tháng 11 năm 2008). Tàu đổ bộ Phoenix đã trực tiếp lấy được mẫu nước băng trong lớp đất nông vào ngày 31 tháng 7 năm 2008.Địa mạo trên Sao Hỏa gợi ra một cách mạnh mẽ rằng nước lỏng đã từng có thời điểm tồn tại trên bề mặt hành tinh này. Cụ thể, những mạng lưới thưa khổng lồ phân tán trên bề mặt, gọi là thung lũng chảy thoát (outflow channels), xuất hiện ở 25 vị trí trên bề mặt hành tinh. Đây được cho là dấu tích của sự xâm thực diễn ra trong thời kỳ đại hồng thủy giải phóng nước lũ từ tầng chứa nước dưới bề mặt, mặc dù một vài đặc điểm cấu trúc này được giả thuyết là do kết quả của tác động từ băng hà hoặc dung nham núi lửa. Những con kênh trẻ nhất có thể hình thành trong thời gian gần đây với chỉ vài triệu năm tuổi. Ở những nơi khác, đặc biệt là những vùng cổ nhất trên bề mặt Sao Hỏa, ở tỷ lệ nhỏ hơn, những mạng lưới thung lũng (networks of valleys) hình cây trải rộng trên một tỷ lệ diện tích lớn của cảnh quan địa hình. Những thung lũng đặc trưng này và sự phân bố của chúng hàm ý mạnh mẽ rằng chúng hình thành từ các dòng chảy mặt, kết quả của những trận mưa hay tuyết rơi trong giai đoạn sớm của lịch sử Sao Hỏa. Sự vận động của dòng nước ngầm và sự thoát của nó (groundwater sapping) có thể đóng một vai trò phụ quan trọng trong một số mạng lưới, nhưng có lẽ lượng mưa là nguyên nhân gây ra những khe rãnh trong mọi trường hợp.Cũng có hàng nghìn đặc điểm dọc các hố va chạm và hẻm vực giống với các khe xói (gully) trên Trái Đất. Những khe xói này có xu hướng xuất hiện trên các cao nguyên ở bán cầu nam và gần xích đạo. Một số nhà khoa học đề xuất là quá trình hình thành của chúng đòi hỏi có sự tham gia của nước lỏng, có lẽ từ sự tan chảy của băng, mặc dù những người khác lại cho rằng cơ chế hình thành có sự tham gia của lớp băng cacbon dioxide vĩnh cửu hoặc do sự chuyển động của bụi khô. Không một phần biến dạng nào của các khe xói được hình thành bởi quá trình phong hóa và không có một hố va chạm nào xuất hiện trên những khe xói, điều này chứng tỏ những đặc điểm này còn rất trẻ, thậm chí các khe xói được hình thành chỉ trong những ngày gần đây.Những đặc trưng địa chất khác, như châu thổ và quạt bồi tích (alluvial fans) tồn tại trong các miệng hố lớn, cũng là bằng chứng mạnh về những điều kiện nóng hơn, ẩm ướt hơn trên bề mặt trong một số thời điểm ở giai đoạn lịch sử ban đầu của Sao Hỏa. Những điều kiện này cũng yêu cầu cần sự xuất hiện của những hồ nước lớn phân bố trên diện rộng của bề mặt hành tinh, mà ở những hồ này cũng có những bằng chứng độc lập về khoáng vật học, trầm tích học và địa mạo học. Một số nhà khoa học thậm chí còn lập luận rằng ở một số thời điểm trong quá khứ, nhiều đồng bằng thấp ở bán cầu bắc của hành tinh đã thực sự bị bao phủ bởi những đại dương sâu hàng trăm mét, mặc dù vậy vấn đề này vẫn còn nhiều tranh luận.Cũng có thêm các dữ kiện khác về nước lỏng đã từng tồn tại trên bề mặt Sao Hỏa nhờ việc xác định được những chất khoáng đặc biệt như hematit và goethit, cả hai đôi khi được hình thành trong sự có mặt của nước lỏng. Một số chứng cứ trước đây được cho là ám chỉ sự tồn tại của các đại dương và các con sông cổ đã bị phủ nhận bởi việc nghiên cứu từ các bức ảnh độ phân giải cao từ tàu Mars Reconnaissance Orbiter. Năm 2004, robot Opportunity phát hiện khoáng chất jarosit. Khoáng chất này chỉ hình thành trong môi trường nước a xít, đây cũng là biểu hiện của việc nước lỏng đã từng tồn tại trên Sao Hỏa.
Nước lỏng không thể tồn tại trên bề mặt Sao Hỏa do áp suất khí quyển của nó hiện nay rất thấp, ngoại trừ những nơi có cao độ thấp nhất trong một chu kỳ ngắn. Tàu đổ bộ Phoenix đã trực tiếp lấy được mẫu nước băng trong lớp đất nông vào ngày 31 tháng 7 năm 2008.Địa mạo trên Sao Hỏa gợi ra một cách mạnh mẽ rằng nước lỏng đã từng có thời điểm tồn tại trên bề mặt hành tinh này.