火星極冠

火星有两个永久性的极冠。在极区的冬天，极冠沉浸在持续的黑暗中，使得表面冷却，并导致大气中25－30%的二氧化碳凝华在表面成为板状的固态二氧化碳（干冰）。当极区再次曝露在阳光下，冰冻的CO₂会升华 。这种季节性的行动运输大量的尘埃和水蒸气，产生类似地球的霜冻和巨大的卷云。机会号在2004年曾经拍摄到水冰的云。
两极的冠主要由水冰组成。北半球的冬季，冰冻的二氧化碳积累为一米厚的薄层（相对于南极）；南极冠有厚约八米的永久干冰盖。在火星北半球的夏季，北极冠的直径约为1,000公里，并且包含大约160万里立方公里的冰，如果均匀的分布在极冠将有2公里厚（相较之下，地球的格陵兰冰原体积是285万立方公里）。南极冠的直径为350公里，厚度约为3公里。 估计南极冠和相邻层状沉积的冰总体积也在160万立方公里。两极的冠都显现螺旋结构，最近火星勘测轨道飞行器使用SHARAD的雷达穿透冠的分析显示，螺旋是由于科氏效应的沉降气流造成的。
南极冠附近一些地区的季节性结霜导致地面形成1米厚的干冰板。随着春天的来临，阳光温暖了地下和来自下方的CO₂升华的压力，抬高干冰板并最终导致破裂。这导致火星间歇泉的喷发，并造成CO₂气体与暗色的玄武岩沙子或尘埃的混合。这个过程是快速的，在几天、几周或数月的观察，就会发现这不寻常变化率的地质学－特别是在火星。气体在冲向间歇泉的地方，会在冰层下雕刻出一种类似蜘蛛状的径向通道。

结冰的大气层

基于16年来对围绕火星周围太空船轨道微小变化的研究，当一个半球经历冬天时，大约有3兆到4兆吨的二氧化碳冻结到北极和南极冠。这代表火星大气层的整体质量有12%到16%被冻结。这些观测支援2010年的火星全球参考大气层模型（Mars Global Reference Atmospheric Model—2010）。

北极冠

北极冰冠的大部分是水冰，还有一个季节性的干冰板，固态的二氧化碳。每个冬天，冰盖会增加1.5至2米厚度的干冰。在夏天，干冰升华（直接从固体成为气体）进入大气层。火星因为自转轴的倾斜角度接近我们的地球（火星为25.19°，地球为23.44°），所有与地球有相似的季节。
在火星的每一年，稀薄大气层的二氧化碳（CO₂）有三分之一会在"冻结"北半球和南半球冬季的冰冠上。科学家甚至由二氧化碳的流动，测量到火星引力场微小的变化。
北极的冰冠海拔（底部在约500米，顶端约在2,000米）较南极冰冠（底部在约1,000米，顶端约在3,500米）低。北极冠也比较温暖，所以冰冻的二氧化碳在每个夏天都会。在夏天保留下来的这一部分冰冠是由北冰组成的，被称为北残冠。水冰的厚度被认为高达3公里。较薄的季节性冰冠在夏末到初秋会形成各种的云。云层下沉降落，使冰冠增厚，被称为极帽（polar hood）。北极冠的极帽在极轴附近是对称的，并且在表面分布至大约北纬60度处。NASA的火星全球探勘者号的高解析影像显示，北极冠顶主要是由坑（凹地，pits）、裂缝、小隆起和球型突出物，使它的外观像是山寨的乳酪。坑在南极冠非常的不同，在空间上与完全不同的沉积物紧密结合在一起。
两个极冠都显示季节性融化和沉积的冰和火星尘暴的沙尘造成的分层特征。这些极区的层状沉积位于永久极冠之下。关于火星过去气候的资讯可能最终会在这些层中显露出来，就像地球上树木的年轮和冰核资料一样。两个极冠也都显示沟槽的特征，可能是由风流模式和太阳角度引起的，已经有好几种理论提出企图来解释。沟槽也会受到灰尘量的影响。尘埃越多，表面的颜色越暗。越暗的表面，融解的也越快。黑暗的表面会吸收更多的光能。一个巨大的峡谷，北极峡谷，切进北极冠的一半。它的宽度大约100公里，深约2公里，比地球的大峡谷更深。

大气环境

火星平均气压为6.1百帕（约等于二氧化碳分压），此时二氧化碳的升华点是148K。夏季，北极冠表面温度可达205K，足够使冬季形成的干冰全部升华，再加上测得夏季时极冠上方大气所含的水汽已达饱和，推论出北极永久极冠是由水冰组成；相比之下，南极冠夏季表面温度低于二氧化碳升华点，故南极永久极冠除了主要的水冰，其上还有一层干冰。

季节变化

南极的季节性极冠约在南半球秋分开始扩张，冬至附近时扩张最大，约到南纬40度，尤其在阿尔及尔平原与希腊平原地势低气压高的缘故，可稳定存在于更低的纬度。过冬至极冠渐渐回退，春分时已退到南纬60度。

两极高原

在表层冰之下，整个北极高原（Planum Boreum）与南极高原（Planum Australe）几乎是水冰与沙互层的构造，称为极地层状沉积（polar layered deposits），再下面则是原本的地壳，可称为基底层（basal unit）。