火星是太阳系第四颗行星，有个和地球非常不同的大气层。自从发现少量甲烷以来，关于它组成的研究越来越受到关注，因为这可能是火星生命存在的迹象。不过这也可能是由地质化学作用、火山作用或热液作用等无机方式所造成的。
火星大气层相对较薄，地表气压低至奥林帕斯山顶的30帕、高至希腊平原低点的1155帕。火星表面的平均气压为6百帕，相比之下地球气压为1013百帕，也就是说火星大气压力不到地球的百分之一。火星大气总质量为25兆吨，而地球为5148兆吨。然而它的大气标高为11公里，比地球的7公里稍大。火星大气含有95%的二氧化碳、3%的氮气、1.6%的氩气、些微的氧气、水汽和甲烷，平均分子量为43.34。大气中还充满很多尘埃，使得从火星地表来看是黄褐色的。火星探测漫游者的资料指出，这些悬浮微尘约1.5微米宽。
二氧化碳是火星大气主要成分。冬天时，极区进入永夜，低温使大气中多达25%的二氧化碳在极冠沉淀成干冰，到了夏季则再度升华至大气中。这个过程使得极区周围的气压与大气组成在一年之中变化很大。
和太阳系其他星球相比，火星大气有着较高比例的氩气。不像二氧化碳会沉淀，氩气的总含量是固定的，但也因为二氧化碳会在不同时间进出大气，氩气在不同地点的相对含量会随时间而改变。近期卫星资料指出，南极区在秋季时氩气含量提高，到了春季则会降低。
火星大气变化显著。当夏季二氧化碳升华回大气时，它留下微量的水汽。季节性、时速接近400公里的风吹离极区，带着大量的沙尘与水汽，其中水汽造就了霜与大片卷云。这些水冰云由机遇号于2004年摄得。2008年七月31日，NASA凤凰任务的科学家证实地下冰的发现。凤凰号的更多分析将确认这些冰是否曾为液态，或包含生命必需的有机物。凤凰号的热电传导性探针显示当地大气中的水分在火星晚上时会消失，同时土壤的水分则会增加。
火星大气中含量为十亿分之一级（ppb）的微量甲烷，首次的发现来自2003年一支在NASA戈达德太空飞航中心的团队。 2004年三月，火星快车号和自地面观测的加法夏望远镜也支持甲烷的存在，浓度约10 ppbv。甲烷的存在十分吸引人，因为这是不稳定的气体，要存在必有某种来源。据估计，火星每年必须产生约270公吨的甲烷，但由小行星带来的只占0.8%。虽然地质活动也可提供，但火星近期缺乏火山活动，热液活动、热点等是甲烷来源的可能性就较低。
微生物（如甲烷古菌）也可能是来源之一，但尚未证实。
甲烷的分布不是全球性的，表示它在充分分布均匀之前就已被破坏，不过这也指出它必不时的释放至大气。目前计划于寻找可能的伴随气体，藉以推测来源的形式：在地球海洋中，生物产的甲烷常伴随着乙烯，而火山作用产生的甲烷则伴随着二氧化硫。
2005年，研究发现橄榄石与水、二氧化碳于高温高压下蛇纹岩化（serpentinization）后可产生甲烷，过程与生物无关。在地表下几公里深即可满足反应的温压条件，且计算如果要维持目前甲烷浓度几十亿年，所需的橄榄石量并不多，增加了甲烷无机来源的可能。而如果要证明正确，就得发现此反应的另一产物蛇纹岩。
欧洲空间局发现甲烷的分布不均匀，但却和水汽的分布相当一致。在上层大气这两种气体分布均匀，但在地表却集中在三处：阿拉伯地、埃律西昂平原和阿卡迪亚平原。西南研究学院的行星科学家David H. Grinspoon认为甲烷与水汽分布的一致性增加了生物来源的可能，不过生命如何在火星如此不友善的环境下生存仍然未知。如果要证明甲烷的分布与生物有关，探测船或登陆艇需要携带质谱仪，分析火星上碳12与碳14的比例（即放射性碳定年法），便可辨别出是生物还是非生物源。2012年，火星科学实验室将会测量二氧化碳与甲烷中的同位素。
2013年9月19日，根据从好奇号得到的进一步测量数据，NASA科学家报告，并没有侦测到大气甲烷（atmospheric methan）存在迹象，测量值为6999180000000000000♠0.18±0.67 ppbv，对应于1.3 ppbv上限（95%置信限），因此总结甲烷微生物活性概率很低，可能火星不存在生命。但是，很多微生物不会排出任何甲烷，仍旧可能在火星发现这些不会排出任何甲烷的微生物。
火星大气是一个可在任何登陆地利用、已知成分的资源，因此，有人建议载人火星任务可用大气中二氧化碳为原料制造回程的燃料。这些研究包括罗伯·祖宾的直达火星和NASA的Design reference mission。两个主要方法包括沙巴提尔反应：二氧化碳加氢气产生甲烷与氧气；和电解，以氧化锆的固体氧化物电解质将二氧化碳分解为氧气与一氧化碳。
然而，如果人类将来要殖民火星，将需要足够的温室气体以维持温暖的气候，所以在利用大气的同时势必得想办法补充。（参考火星地球化）
海盗号和探路者号登陆器的照片显示火星的天空大致为黄褐色，而在晨昏时则带点粉红色。火星大气一直充满着尘埃，因此大气中的悬浮微尘对天空颜色有很大的影响。这些尘埃含有褐铁矿，而根据海盗1号着陆器所测得天空颜色所做的日光散射电脑模拟显示，另外还有体积含量约1%的磁铁矿。这些尘埃的大小可由小于可见光波长（0.4－0.7微米）至数十微米大。大的粒子倾向对不同波长均匀散射，使天空呈现白色，就像地球的云一样。不过尘埃粒子还会吸收蓝光，使天空缺乏蓝色而呈现黄褐色，也使肉眼所见的火星呈现红色。假如火星大气没有尘埃，就会和地球一样因大气分子（在火星主要为二氧化碳）的雷利散射而呈现蓝色天空，但因大气稀薄很多，会呈现暗蓝色，就像在地球高山所见的天空。
火星大气由以下几部分构成：
由于火星气压低，当太阳甫照地表时，大气便能快速增加动能，风速大，加上低重力，尘埃很容易被卷入空中。而就在南半球春夏季时，增温快，易形成强烈的风，卷起的狂沙再加强增温，风速更快，终于形成尘暴，从太空可看到一片褐色尘云旋转、移动。而这些区域性尘暴有些甚至发展成全球性尘暴，将整个星球笼罩在橘雾之下。例如水手9号刚到达火星的时候，火星就被全球性尘暴遮住而无法观测；2007年7月到8月初，勇气号与机遇号就因沙尘暴的发生，太阳能板接收不到足够的光线而暂停工作。
尘卷风常见于地球的干燥沙漠，而在火星也一样常见，只是尺寸更大：地球上的可宽数米、高数十米，火星的尘卷风则通常有数十米宽、数百米高，而最大可再大十倍，比地球的龙卷风还大，且风速可超过每秒30米。和地球的尘卷风一样是光照加热地表空气而形成的，在春夏季白天中午的前后几小时内很常见。尘卷风形成后可维持并游走一段时间，经过之处因卷走上层沙尘露出底下不同色的沙而留下深色轨迹。火星全球勘测者等的卫星照片显示各纬度皆有发现大片交织的尘卷风轨迹，古瑟夫撞击坑中的勇气号亦不时见到行进中的尘卷风。由于尘卷风可达数公里高，不断卷起的尘埃可能是火星大气充满尘埃的重要原因。
另外，尘卷风内部的沙尘会摩擦起电而带电。较大的沙与较小的尘碰撞摩擦时，尘倾向带负电，然后沙、尘因重量差异分开至底部和顶部，产生电场。地球上的可测量到约20千伏/米，虽然比地球产生闪电的最小电场小约一百倍，但火星大气稀薄，较易将气体击穿，况且火星尘卷风更大，电场可能更强，因此电弧或闪电就可能在尘卷风内部产生。
火星的云不像地球那么多又较厚实，由于冷、干、气压低，火星的云通常不多且薄，有些是水冰构成，有些是干冰构成，如果参杂沙尘则由白色变成黄色的黄云，另外一些常见的云，如塔尔西斯和埃律西昂的山云、哈勃空间望远镜中常见的赤道云、火星边缘的蓝色云霭等。