dioxidul de Carbon constituie 95,3% din atmosferă în greutate (vezi tabelul), de nouă ori mai mult decât cantitatea acum în atmosfera mult mai masivă a Pământului. Cu toate acestea, o mare parte din dioxidul de carbon al Pământului este blocat chimic în roci sedimentare; cantitatea din atmosfera marțiană este mai mică de o mie din totalul terestru. Echilibrul atmosferei marțiene este format din azot molecular, vapori de apă și gaze nobile (argon, neon, krypton și xenon)., Există, de asemenea, urme de gaze care au fost produse din constituenții primari prin reacții fotochimice, în general ridicate în atmosferă; acestea includ oxigen molecular, monoxid de carbon, oxid nitric și cantități mici de ozon.atmosfera inferioară furnizează gaz ionosferei planetei, unde densitățile sunt scăzute, temperaturile sunt ridicate și componentele se separă prin difuzie în funcție de masele lor. Diferiți constituenți din partea superioară a atmosferei se pierd în spațiu, ceea ce afectează compoziția izotopică a gazelor rămase., De exemplu, pentru că hidrogenul este pierdut în mod preferențial asupra mai greu izotopul deuteriu, Marte atmosfera conține de cinci ori mai mult deuteriu decât cea a Pământului.
Deși apa este doar un mic element constitutiv al atmosferei Marțiene (câteva molecule pe 10.000 de cel mult), în principal din cauza atmosferică scăzută și temperaturile de suprafață, acesta joacă un rol important în chimia atmosferei și meteorologie. Atmosfera marțiană este efectiv saturată de vapori de apă, dar nu există apă lichidă prezentă la suprafață., Temperatura și presiunea planetei sunt atât de scăzute încât moleculele de apă pot exista doar ca gheață sau ca vapori. Puțină apă este schimbată zilnic cu suprafața, în ciuda temperaturilor foarte reci pe timp de noapte.
vapori de Apă este amestecat uniform până la altitudini de 10-15 km (6-9 km) și arată puternic latitudine degradeuri care depinde de sezon. Cele mai mari schimbări apar în emisfera nordică. În timpul verii, în nord, dispariția completă a capacului de dioxid de carbon lasă în urmă un capac de apă-gheață. Sublimarea apei din capacul rezidual are ca rezultat un gradient puternic de concentrare de la nord la sud a vaporilor de apă din atmosferă., În sud, unde vara rămâne un capac mic de dioxid de carbon și a fost detectată doar o cantitate mică de gheață de apă, un gradient puternic de vapori de apă nu se dezvoltă în mod normal în atmosferă.
atmosferice de vapori de apă este considerat a fi în contact cu o mult mai mare rezervor din solul Marțian., Straturile subterane de gheață par a fi omniprezente pe Marte la latitudini poleward de 40°; temperaturile subterane foarte scăzute ar împiedica sublimarea gheții. Nava spațială Mars Odyssey din 2001 a confirmat că gheața este prezentă la un metru de suprafață la latitudini mai mari de 60°, iar landerul Phoenix a găsit gheață sub suprafață la 68° N, dar nu se știe cât de adânc se extinde stratul de gheață. Imaginile realizate de Mars Reconnaissance Orbiter au arătat noi cratere de impact la latitudini cuprinse între 40° N și 60° n, care au expus gheața de apă subterană până la o adâncime de 74 cm (29 inci)., În schimb, la latitudini joase, gheața este instabilă, iar orice gheață prezentă în pământ ar avea tendința de a sublima în atmosferă.măsurătorile izotopice sugerează că cantități mai mari de dioxid de carbon, azot și argon au fost prezente în atmosferă în trecut și că Marte ar fi putut pierde o mare parte din inventarul său de substanțe volatile la începutul istoriei sale, fie în spațiu, fie în sol (adică închis chimic în roci)., Marte a avut odată o atmosferă mult mai groasă, care a fost în mare parte pierdută în spațiu prin vântul solar și radiațiile ultraviolete ale soarelui, care au fost mult mai intense în Sistemul solar timpuriu.metanul a fost detectat și în atmosfera lui Marte. Roverul Curiosity a observat o variație sezonieră a metanului, dar măsurătorile de la orbiters au arătat doar variații sporadice sau chiar o absență completă a metanului. Această contradicție sugerează că un anumit proces elimină metanul observat în apropierea suprafeței înainte de a se răspândi prin atmosferă., Vulcanii și meteoriții au fost excluși ca origini pentru metan, care lasă reacții chimice între rocă și apă sau metabolismul posibilelor microorganisme marțiene ca surse posibile.