火星水文是研究火星表面水的狀態。相較於地球，液態水在火星表面幾乎不存在。火星的水大多鎖在永久凍土和極冠等冰凍圈（cryosphere），所以在火星表面沒有足夠的液態水可以形成水圈。只有極少量的水蒸氣存在於火星大氣層。
藝術家想像火星古代可能的樣子，基於火星海洋假說。現在火星表面環境因為大氣壓力和溫度過低，會讓液態水蒸發或凝固而無法存在。因此研究人員研究古代火星的水文遺蹟，重建了火星古代可能存在的海洋。但仍無法解答液態水消失的原因。
目前已有許多直接和間接證據證明火星表面曾經有液態水存在於表面或地表下；例如河床、極冠、光譜、被侵蝕的撞擊坑和針鐵礦等礦物都直接顯示火星曾經存在液態水。在一篇《地球物理研究期刊》（Journal of Geophysical Research, JGR）的文章中，科學家研究地球南極冰層下的沃斯托克湖後認為液態水可能仍存在於火星。研究人員認為如果渥斯托克湖在永凍冰層出現以前就存在，那該湖可能並未凍結。因此火星如果仍有液態水存在，可能以冰下湖的形式存在於冰冠下。
坑度密度與地質年代
現在的火星 (海盜號拍攝)目前測定火星的地質年代是以表面撞擊坑密度決定，坑洞越密集的表面就越古老，反之則越年輕。火星地質年代各時期的命名是以形成於該時代的區域命名。從最老到最年輕的地質時代依序如下：
諾亞紀（Noachian Period），以南半球的諾亞地（Noachis Terra）命名。46至35億年前。形成於該年代的區域有許多大型撞擊坑。
赫斯伯利亞紀（Hesperian Period），以南半球的赫斯伯利亞高原命名。35至18億年前，主要是大片熔岩平原形成。奧林帕斯山形成。
亞馬遜紀（Amazonian Period），以北半球的亞馬遜平原命名。18億年前至現在。撞擊坑少但型態多樣，熔岩流動持續。
撞擊坑型態
火星表面年代圖。火星的尤蒂撞擊坑，有壁壘型噴出物。撞擊坑型態讓我們了解火星表面的結構和組成，尤其是地表下狀況和火星地質歷史。葉狀噴發物覆蓋層（左圖）和中間山（pit crater）在火星很常見，但在月球卻很少見。這些證據顯示有揮發性物質（液態水或水冰）在靠近地表處。撞擊坑的下降結構顯示了因為火山、河流作用與風成活動。
尤蒂撞擊坑（Yuty Crater）是典型的壁壘型撞擊坑（Rampart crater），名字由來於噴發物邊緣的形狀。尤蒂撞擊坑的噴發物完全覆蓋了一側較老的另一撞擊坑，代表噴發物質只有很薄一層。
礦物地質年代
根據近年火星快車號的OMEGA光學與紅外線光譜資料分析後提出了與地質學和礦物學相關的火星地質年代分類。再這個地質年代分類將火星地質歷史分成三個時期，Phyllocian, Theiikian和Siderikan：
Phyllocian（以富含黏土的頁矽酸鹽命名）從火星形成直到40億年前。為了使頁矽酸鹽形成，鹼性水的環境應該已經存在。一般認為這個時期的沉積物是尋找火星古代生命存在證據的最佳選擇。這時代相當於地球的冥古宙。
Theiikian（以希臘語的硫酸鹽礦物命名）從40至35億年，是火山活動的時期。除了岩漿以外，氣體（尤其二氧化硫）被釋放出來與水產生化學反應造成硫酸鹽形成酸性環境。相當於地球的始太古代和古太古代的開始。火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter, MRO）的高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE）在這時期的地表發現水和岩漿作用的證據。
Siderikan，35億年前至今，火山活動停止和液態水消失。主要的地質作用就是含鐵岩石和火星大氣層中的過氧化物產生化學反應造成紅色的鐵氧化物，造成火星現在的顏色。相當於地球從太古宙的大部分和全部的元古宙至今。
探測器的發現
水手9號
水手9號拍攝的影像中發現了河床、峽谷（包含水手號峽谷，一個長達4200公里的峽谷系統）、水流侵蝕、鋒面、霧等，首先揭露了火星表面曾經有水的證據。之後的海盜號接續了水手9號。巨大的水手號峽谷系統命名就是為了對水手9號任務表達敬意。
火星的尤蒂撞擊坑，有壁壘型噴出物。海盜號
海盜號在火星表面發現許多因為大量水流才能造成的地表特徵，引發了對我們對火星表面是否有水的觀點革命。巨大的河谷在火星許多地方發現，這些峽谷可看到洪水突破障礙切出深谷，在岩床上留下痕跡且移動數千公里。南半球有大片區域有河道網路顯示曾經有降雨。一些火山的邊緣被認為是因為降雨而暴露出岩石，因為在夏威夷群島的火山也有類似地形特徵。許多撞擊坑的型態看起來就像撞擊物撞入濕泥地；當撞擊坑形成時，土壤中的冰可能融化使表面變成濕泥地在表面流動。正常情況下表面物質在撞擊後會上升再下降，但在火星一些撞擊坑並不會在表面流動，因為周圍有許多障礙。混沌地形看起來像有大量的水流過，在較下游處造成大型的河道。這些水流的規模是難以想像的－可能是密西西比河流量的十倍。地下的火山活動可能曾經融化冰層，大量水流流失以後地表塌陷形成混沌地形。
以下部分影像是從海盜號多張窄視野，高解析度影像拼接而成。部分影像有標上地名。
海盜號拍攝的巴赫拉姆峽谷（Bahram Vallis），位於月高原（Lunae Planum）北部，Lunae Palus區。位於韋德拉峽谷（Vedra Vallis）和地勢較低的卡塞峽谷（Kasei Vallis）之間。
海盜號拍攝的許多流線型島嶼顯示曾有強大水流在火星表面出現。位於Lunae Palus區。
海盜號拍攝從邁亞峽谷（Maja Valles）流出的水流造成淚滴狀島嶼群。位於Oxia Palus區。這些島嶼是在盧德撞擊坑（Lod Crater）、包克撞擊坑（Bok Crater）和高爾德撞擊坑（Gold Crater）的噴出物上。
照片中可見沖刷模式是水流從左側的邁亞峽谷流出。位於Lunae Palus區。
在這幅海盜號拍攝影像中可見大量的水流造成侵蝕。位於Lunae Palus區。水流侵蝕造成德羅摩爾撞擊坑（Dromore Crater）周圍的撞擊噴發物形成現在形態。
在這幅海盜號拍攝影像中可見韋德拉峽谷、莫米峽谷（Maumee Vallis）和邁亞峽谷的水流都從影像左側的陸那高原流入右側克里斯平原（Chryse Planitia）。位於Lunae Palus區。
海盜號拍攝的阿拿達撞擊坑（Arandas Crater）外的噴發物類似泥漿在周圍的小撞擊坑（箭頭所指處）運動，而不是降落。這種撞擊坑形成原因被認為是當撞擊時造成大量水冰溶化所致。位於阿基達利亞海區（Mare Acidalium quadrangle）。
在這幅影像中可見亞拔山（Alba Patera）邊緣有河道或溝槽。部分溝槽形成原因是因為岩漿的流動；其他的可能是因為水流形成。大規模的溝槽或地塹形成一條崩潰的凹處。位於阿卡迪亞區（Arcadia quadrangle）。
位於Thaumasia區的許多細小河道。這樣的河道網是火星古代有大量降雨的強力證據。
位於珍珠灣區（Margaritifer Sinus quadrangle）的許多細小河道是火星古代曾有降雨的證據。
海盜號拍攝的拉維峽谷（Ravi Vallis），可能是災難性的巨大洪水從右邊的混沌地形流出。位於珍珠灣區（Margaritifer Sinus quadrangle）。
海盜號登入器的實驗結果顯示火星在古代和現代都有水存在；在海盜號氣相層析質譜分析儀（Gas chromatograph-mass spectrometer）內加熱的試體釋放出水，但是比例只有約1%.。化學分析顯示火星表面過去曾有許多水。部分火星表面的土壤含有硫和氯，可能是古代海水蒸發後留下的。硫元素集中在火星的土層表面，因此可能原因是因為地殼上部份的硫酸鹽被水溶解後向上輸送到地表；這在地球上的沙漠是很常見的現象。這些硫可能與鈉、鎂、鈣或鐵形成硫酸鹽或鐵的硫化物存在。海盜號登入器的火星表面試體化學實驗結果顯示火星表面礦物有約90%是富含鐵的黏土混合物；其中約10%是硫酸鎂（可能是硫酸鎂石）、約5%是碳酸鹽（方解石）、約5%是鐵氧化物（可能有赤鐵礦、磁鐵礦、針鐵礦）。這些礦物是典型的基性火成岩風化產物，這些礦物是水曾經存在的證據。硫酸鹽礦物內有結晶水，是水在古代曾經存在的證據；維京2號發現了相似礦物聚集存在的區域，因為維京2號的位置更北，拍攝到了火星冬季表面的霜。
