Del mismo modo que su cercanía al Sol selló el destino de la atmósfera de Mercurio, el efecto invernadero selló la de Venus y la aparición de la vida cambió la de la Tierra, el tamaño de Marte sería el desencadenante del destino hacia la actual atmósfera marciana. La masa de Marte es el 11% de la terrestre y su volumen apenas el 15% de la Tierra. La relación volumen – superficie es más próxima a uno que la de planetas mayores y por lo tanto perdía su calor interno más rápidamente que sus vecinos. Esto se tradujo en la solidificación su núcleo en apenas 600 millones de años, Marte perdió su campo magnético y expuso su superficie a los rayos ultravioleta y al viento solar. El agua se evaporó al perder presión atmosférica progresivamente, una vez como vapor de agua de disoció por la exposición a la luz ultravioleta y el viento solar se encargaría de arrancarlo de la superficie planetaria. En cuanto al CO2, que mantenía un equilibrio entre el presente en la atmosfera y el absorbido por el suelo, gracias a la pérdida de calor interno y el parón de la tectónica de placas, el CO2 absorbido por el suelo vía carbonatos, no se devolvía a la atmósfera por vulcanismo, como consecuencia la mayoría del CO2 atmosférico se perdió. De una presión probablemente similar a la terrestre (rondando 1 bar), Marte ha conservado sólo 6 milibares, con la siguiente composición: 95,3% de CO2, 2,7% de N2, 1,6% de Ar, 0,18% de CO, 0,15% de O2, 0,03% de H2O y trazas de Ne, Kr, Xe y O3. Últimos descubrimientos con las sondas que tenemos en órbita han añadido otro elemento, el metano, que se ha detectado en pequeñas proporciones y sólo en áreas muy localizadas, que no llega a incorporar suficiente cantidad de este gas para que aparezca globalmente. El metano tiene solo dos orígenes, volcánico o biológico. Para dilucidar el origen de metano en Marte, se ha diseñado la misión Exomars, que mediante el envío de dos sondas (una la de este año 2016 y otra para 2020), tratará de encontrar el origen del metano marciano. Para ello se ha escogido una zona de amartizaje en lo que fue zona costera del antiguo océano marciano, perforar a cierta profundidad y sacar una muestra, analizarla en busca de agua solidificada en el subsuelo, para con suerte, discernir entre el origen biológico o geológico del metano marciano.

En la estructura atmosférica marciana se distinguen tres capas, una inferior, troposfera al estilo de la terrestre, donde ocurren son diferentes meteoros, una mas estratificada más arriba, llamada estratosfera y una capa más externa, termosfera, región de cambio gradual con el vacío espacial.

En cuanto a la dinámica atmosférica marciana, lo primero a considerar es la presencia de estaciones de igual modo que ocurre en la tierra, por tener su eje de rotación una inclinación similar a la terrestre. Las diferencias de estas estaciones con las terrestres son la menor temperatura media, por su lejanía con el Sol aunque conserva bastante amplitud térmica por la mayor excentricidad de la órbita marciana, y su duración, ya que el año marciano es de 687 días terrestres, poco más de un año y diez meses terrestres. En el verano del planeta rojo, hay temperatura suficiente para mantener los gases atmosféricos en las zonas polares mientras que en el invierno las temperaturas bajan tanto en esas zonas, que el agua y el CO2 se solidifican formando un casquete polar. Fuera de esas regiones polares, no es descartable encontrar agua líquida o hielo en el subsuelo marciano incrustadas en grietas entre las rocas, lo que significa la posibilidad de búsqueda de extremófilos en estos lugares, ya que también estarían libres de la radiación ultravioleta.

Otro meteoro presente en la atmósfera marciana son las nubes, las hay de agua, sobre una altura de 10 Km., y de dióxido de carbono, a unos 50 Km. de altura. En superficie, gracias a la llegada de sondas robot se han podido observar tornados de arena, eso si, de tamaño más pequeño que sus equivalentes en la Tierra, ya sean tornados de tierra o mangas marinas. Como curiosidad estos tornados han jugado un papel crucial para las misiones de los robots de superficie, ya que con el tiempo la arena se va depositando en los paneles solares que suministran energía a la sonda. Esta acumulación llego a ser tal, que se tuvo que suspender la actividad por falta de energía. El paso de un tornado que paso por la posición de la sonda limpió los paneles solares y permitió que la sonda siguiera operando.