惯例将水星的经度零点放在水星表面最热的两个点之一。然而，当水手10号首次访问该地区时，这条零子午线处于黑暗中，因此无法在表面上选择一个特征来定义子午线的确切位置。因此，选择了一个更西边的小陨石坑，名为Hun Kal，它为测量经度提供了准确的参考点。Hun Kal的中心定义了西经20°。1970年国际天文学联合会的一项决议建议，在水星上向西测量经度是正的。因此，赤道上两个最热的地方位于西经0°和西经180°，赤道上最冷的地方位于西经90°和西经270°。但是，MESSENGER项目使用东部正向约定。

水星是太阳系所有的行星中轨道离心率最大的，为0.20563。水星与太阳的距离在4600万至7000万千米的范围之间变动，以87.969地球日的周期完整地公转太阳一圈。右边的水星轨道图叠加上有着相同半长轴的圆形轨道，以显示出轨道离心率造成的影响。以5天为间隔的标示显示出在近日点时有着较大的距离，清楚的显示出比较高的轨道速度。球的大小，与它们和太阳的距离成反比，用来阐释日心距离的变化。到太阳距离的变化，结合行星绕着自转轴的自转轨道共振，造成表面温度复杂的变化。这种共振使得一个水星日的长度是水星的两年，或是大约176个地球日。水星的轨道平面对地球的轨道平面（黄道）有着7度的倾斜，显示在右图中。水星在前方穿越太阳的凌日，只有在水星穿越黄道平面之际，也位于地球和太阳之间时才会发生。平均下来，大约7年才会发生一次。水星的转轴倾角几乎是零，测量值小于0.027度。这明显的远小于木星，它是转轴倾角第二小的行星，数值为3.1度。这意味着位于水星极点的观测者，太阳中心点的高度永远不会高于地平线上2.1角分。

在水星表面上的某些点，观测者可以看见太阳上升到半途时，会反转回去日落，然后再度日出；在所有的点上，这些都发生在同一个水星日。这是因为在近日点前大约4个地球日时，水星轨道的角速度，几乎与它的自转速度相同，所以太阳的视运动会停滞；在近日点时，水星公转的角速度超过水星自转的角速度。因此，对假设在水星上的观测者，会明显的看到太阳逆行。通过近日点4天之后，在这些点上观测到的太阳视运动又恢复正常了。

水星与地球内合（最靠近地球）的周期平均是116地球日，但是由于水星轨道的离心率，这个间隔从105日至129日不等。水星与地球的距离可以近到7730万千米，但在公元28622年之前不会接近至8000万千米以内，公元2679年为8210万千米，公元4487年为8200万千米。从地球可以看见它逆行的时间大约是在内合前后的8-15天，所以会有如此大范围差距变化，完全是因为它有着较大的离心率。

1889年意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利经过多年观测认为水星自转时间和公转时间都是88天。许多年以来，水星被认为是与太阳同步的潮汐锁定，在每一次的轨道公转中都以同一面朝向太阳，就像月球始终以同一面朝向地球。在1965年的雷达观测，美国天文学家才测量出水星自转的精确周期是58.646天，证明水星以3:2的自转轨道共振，每公转太阳二次时也自转三次；而水星轨道的高离心率使得此共振稳定 － 在近日点，太阳的潮汐力最强，太阳也平静（稳定）的出现于最靠近水星的天空。

起初，天文学家认为它被同步锁定的原因是，当水星在适合观测的位置上时，它几乎总是在3:2共振的相同位置上，因此呈现相同的面貌。这也是因为水星公转周期与地球会合周期一半的巧合，由于水星3:2的自旋轨道共振，一太阳日（太阳两次过中天的时间间隔）约176地球日。一恒星日（自转周期）则约59地球日。

模拟的研究显示水星轨道的离心率是混沌的，在数百万年的时间内会因为其它行星的摄动从接近0（圆形）至超过0.45之间变动。这被认为可以解释水星的3:2自旋轨道共振（而非更常见的1:1），因为这种状态在高离心率轨道的时期中是可能发生的。数值模拟显示未来长期轨道共振，与木星的交互作用会造成近日点距离的增加，在未来的50亿年内有1%的几率会与金星碰撞。

（岁差现象又称为近日点进动）

1859年，法国数学家和天文学家奥本·勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）报告水星环绕太阳的轨道有着牛顿力学和现有已知的行星摄动不能完满解释的缓慢进动。他建议用“另一颗行星（或一系列更微小天体）位于比水星更靠近太阳的轨道上”来处理这些摄动（其它的解释包括太阳略微的扁平）。基于天王星的轨道受到扰动而发现了海王星的成功，使天文学家对这个解释充满了信心，并且这个假设的行星被命名为祝融星，但是始终未能发现这颗行星。

水星相对于地球的近日点进动是每世纪5600弧秒（1.5556度），或是相对于惯性ICFR每世纪574.10±0.65角秒；但牛顿力学考虑了来自其它行星所有的影响，预测的进动只有每世纪5557角秒（1.5436度）。在20世纪初期，爱因斯坦的广义相对论对观测到的进动提供了解释。这个效应非常小：水星近日点的相对论进动是每世纪42.98角秒，刚刚好是之前不足的值；然而，在经历1200万次的公转之后，它仍有一点点的过剩。其它行星也有非常类似的情形，但是影响小了很多：金星是每世纪8.62角秒，地球是3.84角秒，火星是1.35角秒，伊卡洛斯（1566 Icarus）是10.05角秒。

水星的视星等介于−2.6等（比最亮的恒星天狼星更亮）和+5.7等（接近理论上裸眼可见的极限值）之间。这两个极端值都出现于水星在天空中的视位置接近太阳的时候。由于它很接近太阳，因此观测上很麻烦，大部分的时间都会迷失在阳光中，只有在日出前或日落后短暂的暮曙光内可以看见。说起五大行星的水星，自古以来用肉眼观测是最难的。水星，像其它一些行星和明亮的恒星一样，可以在日全食的时间被看见。

像月球和金星一样，从地球上可以观察到水星的相位。它的“新月”出现于内合，“满月”出现于外合。由于它相对的过度贴近太阳，因此从地球上是看不见水星呈现这两种相位。观察水星的最佳时候是在日出之前约50分钟，或日落后50分钟。

若用望远镜看水星，则可以选择水星在其轨道上处于太阳一侧或另一侧离太阳最远（大距）时并在日出前或日落后搜寻到它。天文历书显示，这个所谓的“大距”究竟是在太阳的西边（右边）还是东边（左边）。若是在西边，则可以在清晨观测；若是在东边，则可以在黄昏观测。知道了日期，又知道了在太阳的哪一侧搜寻，还应该尽可能挑一个地平线没有东西阻隔的地点。搜寻水星要在离太阳升起或落下处大约一柞宽的位置。会看到一个小小的发出淡红色光的星星。

若用望远镜看水星，则可以选择水星在其轨道上处于太阳一侧或另一侧离太阳最远（大距）时并在日出前或日落后搜寻到它。天文历书显示，这个所谓的“大距”分为在太阳的西边（右边）和东边（左边）。若是在西边，则可以在清晨观测；若是在东边，则可以在黄昏观测。知道了日期，又知道了在太阳的哪一侧搜寻，还应该尽可能挑一个地平线没有东西阻隔的地点。搜寻水星要在离太阳升起或落下处大约一柞宽的位置。会看到一个小小的发出淡红色光的星星。

在其被太阳光淹没之前，大概可以观测它2个星期。6个星期之后，它又会在相对的距角处重新出现。

在中国的大部分地区，一年通常只有2到3次最佳的水星观测机会。水星是昏星时，每年3月底到6月初，尤其是在5月中下旬，有机会达到比较大的高度，可以在傍晚西方天空中寻找。水星是晨星时，9月初到12月初，尤其是10月中下旬，有机会达到比较大的高度，可以在黎明时向东方寻找。值得注意的是，并不是说这两个时间段的水星一定会比较高，只有在此期间发生水星大距时，高度才会比较大，否则就只能静待下一年了。例如，2021年有两次大距都非常接近最佳观测日期。分别是5月17日的昏星和10月25日的晨星。

其实水星用肉眼观测并不是想象中那么难。要想观测水星，选择其大距时固然重要，而对于南北纬30，甚至20度以上的观测者，水星相对于太阳的赤纬极为重要。据传说，大天文学家哥白尼临终前曾叹他一生没有见过水星。

哥白尼为什么没见过水星，最重要的客观原因有两个：第一，近前后5000年，北半球相对于南半球，不适合观测水星，因为每当水星大距处于其远日点时，北半球观测者会发现水星的赤纬总是低于太阳赤纬，即使水星离太阳距角接近最大的28度，但水星几乎还是和太阳同升同落。反之水星到了近日点时，北半球观测者看到的水星却比太阳赤纬高。但近日点毕竟才18度的距角，所以水星还是难以观测。这种情况需要再过几千年水星近日点进动90度后才能改观。第二，地理纬度越高，内行星越难见。纬度高的地区，太阳的晨昏朦影时间很长，即日出前或者日落后很久，天空依然明亮，所以不利于观测水星，即使北半球来说水星每逢高于太阳赤纬的大距，亮度至少比织女星亮，但明亮的天空背景还是使水星不易观测。

在北半球如中国，想要观测水星，只要选对日期，天气良好的情况下还是很容易做到的。一年中观测水星的最佳月份是3月、4月、9月、10月，即春秋分前后。春秋分时黄道赤纬微分值最大，（黄道赤纬变化最大），太阳和水星在黄道上相同距角时，距离的赤纬也比其他黄道区域大。当水星赤纬大于太阳赤纬较多时，偏北的水星可以在太阳在地平线下很久而被观测到。经验是：春分时节在西方的双鱼、白羊座找，秋分时节在狮子、处女座找水星。水星相当的明亮，在淡蓝色的黎明和黄昏低空中发出不闪烁的黄色光芒。

通常通过双筒望远镜甚至直接用肉眼便可观察到水星，但它总是十分靠近太阳，在曙暮光中难以看到。Mike Harvey的行星寻找图表可以指出此时水星在天空中的位置（及其他行星的位置），再由“星光灿烂”等天象程序作更多更细致的规划。

水星诞生于大约45亿年前，由太阳形成时留下的尘埃和气体组成的漩涡凝结，形成了一颗类地行星，有着致密的金属内核、岩石地幔和固体地壳。然而，这颗小行星冷却得很快，在最初的10亿年左右的时间里收缩得足够小，阻止了岩浆通过地壳逃逸，并结束地表火山活动等地质活动。

科学家曾认为水星与其他类地行星相比富含铁，因为它可能是在太阳星云内部极热区域的物质吸积而成的。这个区域只有较低温度下的物质能够凝固，不会使挥发性更强的元素和化合物在离太阳如此近的地方凝结。然而，现代太阳系形成的理论认为，不同距离太阳的吸积过程不会导致行星化学成分的逐渐差异。相反，水星内的物质很可能来自太阳系内部的多个区域。水星可能是在太阳系内部的小行星带中形成的，并在接下来的数十亿年中因与其他小行星的相互引力作用而发生位置变化。

一些行星科学家认为，在水星的早期，它经历了一次巨大的碰撞，这次碰撞剥离了行星的大部分外层，留下了一个由内核主导的天体。这类似于火星大小的天体与地球的碰撞，并形成了月球。然而，水星之所以拥有高密度可能有其他原因。重金属颗粒和硅酸盐颗粒在形成水星的过程中可能存在优先顺序，也可能是由于热量和气体动力学阻力的影响，使物质的分布发生改变。此外，数十亿年来，水星的表面和近表面材料不断受到小行星、彗星和太阳风粒子的撞击，这也可能影响了水星的化学成分。

行星科学家仍在研究水星形成后发生的地质和行星物理事件的年代，包括早期火山活动和撞击事件。水星拥有一个单一板块的地壳，其形成主要是通过全球性释放内部热能的火山活动。这些火山活动在约35亿年前快速停止，这与水星的全球冷却和收缩有关。然后，水星经历了不同时代的地质变化，如火山喷发和撞击事件，最终进入了现今的地质状态。水星表面的地质年代被分为不同时代，则是基于地层交叉关系和不同地质事件之间的关联来确定的。总的来说，水星的形成和演化是一个复杂的过程，涉及多个因素，包括化学成分、地质事件和太阳系内部的物质交互作用。

为了全面了解水星，截至2022年10月，人类已经向水星发射了三个探测器，分别是水手10号探测器、信使号水星探测器和贝比科隆博号（BepiColombo）水星探测器。

第一艘探测水星的太空船是NASA的水手10号（Mariner 10，1974-1975年）。这艘太空船使用金星的引力调整它的轨道速度，使它能够接近水星，并使它成为第一艘使用重力助推效应，和NASA第一次拜访多颗行星的太空任务。水手10号提供了第一批的水星表面特写影像，其中立刻显示出水星有大量环型山的性质，并透漏许多其他类型的地质特征，像是巨型的陡坡，后来归因于水星的铁核冷却时的收缩。不幸的是，由于水星轨道公转周期的长度，使得水手10号每次接近时观察的都是水星的同一侧。这使得水手10号不可能观察到完全的水星表面，结果是完成的水星表面地图少于45%。

在1974年3月27日，首次飞越水星的两天前，水手10号的仪器意外的发现水星附近有大量的紫外线辐射，这导致天文学家初步认定水星有卫星。不久之后，过量的紫外线被确认是巨爵座31号星的，而水星的卫星则成为了天文历史书上的一个注脚。这艘太空船三度飞临水星，最接近时与表面的距离只有327千米。在第一次接近时，仪器侦测到水星有磁场，这使得行星地质学家大为惊讶 － 因为水星的自转极为缓慢，不致于产生发电机效应。第二次的接近主要是要拍摄影像，但在第三次接近时，获得了广泛的磁性资料。这些资料显示水星的磁场非常类似于地球，使得水星周围的太阳风产生偏离。水星磁场的起源依然有几个主要的理论在相互竞争。在1975年3月24日，就在最后一次接近水星之后8天，水手10号耗尽了燃料。由于不再能精确的控制他的轨道，于是任务控制者关闭了探测器的仪器。水手10号被认为仍然环绕着太阳，每隔几个月仍会接近水星一次。

信使号（Messager）是NASA前往水星的第二艘太空船，于2004年8月3日使用波音戴尔他2型火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射。它在2005年8月飞越地球，并在2006年10月和2007年6月掠过金星，将它调整至正确的轨道，以达到能环绕水星的轨道。在2008年1月14日，信使号首度飞越水星，2008年10月6日再度飞越，并于2009年9月29日第三度飞越。在这几次的飞越中，将水手10号未曾拍摄的半球都拍摄了。探测器在2011年3月18日成功进入绕行水星的椭圆轨道。信使号是在一个大椭圆轨道上以12小时为周期绕水星转动，距离水星表面最近时距离为200千米，最远则可达15193千米。它轨道的最低点位于水星北纬60度的上空，之所以如此选择，部分是为了能详细地研究巨大的卡洛里盆地。这个盆地直径1550千米，是水星最大的表面特征。并在2011年3月29日获得了第一张在轨道上的水星影像。探测器已经完成一年的制图任务，正在进行预定在2013年完成的另一年延伸探测任务。除了继续观测水星和绘制地图之外，信使号也将观察2012年的太阳极大期。

这项任务要厘清六个关键的问题：水星的高密度、地质历史、磁场的本质、核的结构、两极水冰。以及稀薄的大气是如何形成的。为了达到这些目的，信使号探测器携带了比水手10号的仪器分辨率更高许多的影像成像设备，各式光谱仪测量地壳中元素的丰度，和磁强计等设备来测量带电粒子的速度。详细测量探测器在轨道速度上的微小变化，用来推断水星内部构造的详细信息。美国东部时间2015年4月30日下午3点26分（北京时间5月1日凌晨3点26分），“信使号”以撞击水星的方式，结束其探测使命，在水星北极附近留下一个直径约15米的撞击坑（相当于NBA篮球场大小）。

欧洲空间局计划和日本合作，以两艘太空船环绕水星：一艘描绘水星地图，另一艘研究它的磁气层，称为贝皮科伦布号（BepiColombo）的探测计划。在2018年10月20日发射太空船，预期2025年前抵达水星。载具将释放一个磁强计进入环绕水星的椭圆轨道，然后化学火箭将点燃，让绘制地图的探测器进入圆轨道。这两个探测器都将运作一个地球年。绘图探测器将携带类似于信使号的光谱仪，和在许多不同的波长上研究这颗行星，包括红外线、紫外线、X射线和伽马射线。

2023年，法国国家科学研究中心等机构的科学家发现了太阳系中可能普遍存在的极光机制。这一发现来自于水星探测器“贝皮科伦布号”首次飞越水星的数据。研究揭示了水星南部磁层的极光与地球和火星的极光相似，形成极光的过程也与地球、木星、土星和天王星上观察到的类似。

水星探测属于深空探测领域，具备深空探测的普适性探测意义，即科学层面上揭示太阳系起源与演化、解答行星形成和生命起源等基础科学问题；经济层面上牵动创新科技的发展，促进材料、控制、制造等领域的发展，进而带动国家经济发展；政治层面上彰显国家综合国力和科学发展水平，激励青少年探索和创新的科学精神，激发人民爱国热情。此外，水星因其独特的属性具有其特异性的探测意义。

水星的轨道运动在自然理论的发展和验证中具有关键作用，这是因为水星的轨道受到太阳和其他行星的引力扰动影响。这种影响表现为水星绕太阳轨道上的微小旋转或进动。这个每世纪大约9.5角秒（0.16度）的微小运动已为人们所熟知已有两个世纪，实际上，除了大约7%的轨道运动（相当于43角秒或0.012度）可以用艾萨克·牛顿提出的普遍引力理论来解释。然而，这种微小差异太大，不能被忽视，因此人们提出了解释，通常涉及到尚未被发现的额外行星在水星轨道内。

在1915年，阿尔伯特·爱因斯坦证明了他的广义相对论可以解释这一微小差异，从而将水星轨道的进动变成了广义相对论的重要验证观测。此后，水星被用于其他相对论测试，这些测试利用了这一事实：当水星位于太阳和地球的另一侧（合日）时，必须经过太阳附近。广义相对论预测，由于太阳的强大引力扭曲了周围的时空，移动的电磁信号将在此区域中遵循略有不同的路径，所需的传播时间也略有不同。通过比较反射回来的雷达信号与广义相对论的具体预测，科学家成功进行了第二次重要的相对论验证。

水星不仅太小，而且太热，因此它的引力不足以长期留住大气层；但它确实有一个稀薄的、局限在表面的外逸层，包含着氢、氦、氧、硫、钙、钾和其它元素。这个外逸层并不稳定，原子会不断的失去和由其它不同的来源获得补充。氢和氦可能来自太阳风，并在逃逸回太空之前先扩散至水星的磁层。元素的放射性衰变是水星地壳内氦、钠和钾的另一个来源。信使号发现钙、氦、氢氧化物、镁、氧、钾、硅和钠的比例偏高。也有水蒸气的存在，组合的过程发表如下：彗星撞击其表面，溅射创造出的水，其中的氢来自太阳风，氧来自岩石，和在极区坑洞内永久阴影下储存的冰升华。检测到许多由水释出的离子，如O+、OH-、和H3O+则是一个惊喜。由于这些为数可观的离子是在水星的太空环境中发现的，因此科学家推测是被太阳风从水星表面或外逸层摧毁的分子。在1980-1990年代，在大气层中发现钠、钾、钙，相信主要是表面的岩石被微陨石撞击汽化导致的。在2008年，信使号探测器发现了镁。研究指出，钠的排放是区域性的点，对应于这颗行星的磁极。这将显示出在磁层和行星表面之间的交互作用。

在太阳的强烈辐射轰击下，水星大气被向后压缩延伸开去，在背阳处形成一个“尾巴”，就像一颗巨大的彗星。然而更诡异的一点是，水星事实上还在不断的损失其大气气体成分。组成水星大气的原子不断的被遗失到太空之中，由于钾或钠原子在一个水星日（一个水星日——在其近日点一日时间的一半）上大约有3小时的平均“寿命”。

因此，正如所罗门博士指出的那样“你需要不断的进行补充方能维持大气层的存在。”科学家们认为水星的补充方式是捕获太阳辐射的粒子，以及被微型陨石撞击后溅起的尘埃颗粒。散失的大气不断地被一些机制所替换，如被行星引力场俘获的火山蒸汽以及两极的冰冠的除气作用。

虽然水星表面的温度在白天非常高，但观测的结果仍然强烈地支持冰（冻结的水）存在于水星。在极区深坑的底部从未被阳光直接照射过，温度依然维持在102K以下，远低于全球的平均温度。水冰强烈地反射了雷达波，金石70米的望远镜和VLA在1990年代早期的观测，透露了极区附近有非常强的雷达反射斑点。虽然冰不一定是这些反射区域的唯一成因，但天文学家相信冰是最有可能的。

目前猜测水星拥有大约1014–1015千克的冰，并且可能覆盖着一层表岩屑，抑制了升华。相较之下，地球南极的冰层大约有4×1018千克的冰，火星南极的冰帽大约有1016千克的冰。水星上冰的来源还不清楚，但有两种最可能的来源：从行星内部排放出来的，或是彗星撞击造成的沉积。2012年11月29日，水星探测卫星信使号团队发言人表示，科学家在水星北极区域永远晒不到太阳的阴暗坑洞内发现大量冻冰（重量可能多达1012吨）。

水星的表面与月球很相似，呈现出像海的广大平原和大量的撞击坑，显示它数十亿年来都处于非地质活动状态。水星地质的早期认识建立在1975年飞越水星的水手10号和地面观测，此外信使号飞越水星的资料也提供了许多信息。例如，科学家们已经发现一个不寻常的火山口辐射槽，称为“蜘蛛”。稍后，被重新命名为阿波罗多罗斯。在水星表面特征的命名有着不同的来源，取自已经过世的人名。坑穴使用艺术家、音乐家、书画家和作家，他们都在各自的领域中有着杰出或基础的贡献。山脊或皱脊，以对水星的研究有贡献的科学家命名；洼地或地沟以建筑师来命名。山脉以各种不同语言中热门的单词来命名；平原或平原低地以各种不同语言的水星之神名称来命名。悬崖或峭壁以科学探险船命名；山谷或谷地则使用电波望远镜命名。

反照率特征指使用不同领域的望远镜观测，明显的有不同反照率的地点。水星拥有山脊（有时也称为皱脊），像月球的高地、山脉（mountains）、平原（Planitiae）、悬崖（rupes）和谷地（valleys）。水星从46亿年前形成至38亿年前，曾经经历过彗星和小行星短暂的轮番轰击，可能是独立发生的后期重轰炸期。在这些剧烈形成陨石坑的期间，由于缺乏大气层来减缓撞击，行星表面整个都被陨石坑覆盖着。在这个期间，行星有着火山的活动，像是卡洛里盆地等盆地都被来自行星内部的岩浆覆盖着，形成如同在月球上发现的海一样的平原。

信使号于2008年10月28日飞越水星，让研究人员获得更多鉴别水星表面浑沌地形的资料。水星的表面比火星和月球更为复杂，它包含了大量在两者上都值得注意的类似地质，像是海和平原等。

水星有两种地质显著不同的平原。在坑穴之间，起伏平缓、多丘陵的平原，是水星表面可见最古老的地区，早于火山口地形。这些埋藏着陨石坑的平原似乎已湮灭许多较早的陨石坑，并且缺乏直径在30千米以下，以及更小的陨石坑。还不清楚它们是起源于火山还是撞击，这些埋藏着陨石坑的平原大致是均匀的分布在整个行星的表面。

水星平原是广泛的平坦区域，布满了各种大大小小的凹陷，和月球的月海非常的相似。值得注意的是，它们广泛的环绕在卡洛里盆地的周围。不同于月海，水星平坦的平原和埋藏着陨石坑的古老平原有着相同的反照率。尽管缺乏明确的火山特征，在地化的平台和圆角、分裂的形状都强烈的支持这些平原起源于火山。值得注意的是所有水星平坦平原的形成都比卡洛里盆地晚，比较在卡洛里喷发覆盖物上可察觉的小陨石坑密度可见一斑。卡洛里盆地的地面填满了独特的平原，破碎的山脊和粗略的多边形裂纹。不清楚是撞击诱导的火山熔岩，还是撞击造成的融化。

行星表面一个不寻常的特征是众多的压缩皱褶和峭壁，交错于平原表面。随着行星内部的冷却，它可能会略微收缩，并且表面变型，造成了这些特征。凹陷也在其它地形，像是坑穴和平滑的平原顶部被观测到，说明这些皱褶是在如今才形成的。水星的表面也会被太阳扭曲——太阳对水星的潮汐力比月球对地球的强17倍。信使号在水星北极地区发现了水星上最大的火山平原开阔区之一，覆盖面积约400万平方千米，深度几千米。它帮助确认了火山活动在水星历史的大多数时间里对于塑造其地壳起到了关键作用。

水星的表面很像月球，存在环形山、大平原、盆地、辐射纹和断崖。于是，水星上的环形山和月球上的环形山一样，也进行了命名。水星表面上环形山的名字都是以文学艺术家的名字来命名的，没有科学家，这是因为月面环形山大都用科学家的名字命名了。水星表面被命名的环形山直径都在20千米以上，而且都位于水星的西半球。

在水星南北极的环形山是一个有可能适合作为地球外人类殖民地的位置，因为那里的温度常年恒定（大约-200℃）。这是因为水星微小的倾角以及几乎不存在的大气，从有日光照射的部分的热量很难携带至此，即使水星两极较为浅的环形山底部也总是黑暗的。适当的人类活动将能加热殖民地到一个舒适的温度，周围相比大部分地球区域来说较低的环境温度将能更有利于热量的散失。

2023年11月，美国行星科学研究所（PSI）科研团队深入研究水星，认为在水星北极周围的拉迪特拉迪陨石坑和埃米内斯库陨石坑中，发现了盐冰川的痕迹，推测在水星炎热表面下，可能存在生命。

水星是太阳系内与地球相似的4颗类地行星之一，有着与地球一样的岩石主体。它在赤道的半径为2439.7千米，是太阳系中最小的行星，水星甚至比一些巨大的天然卫星，比如木卫三和土卫六还要小，虽然质量更大一些。水星由大约70%的金属和30%的硅酸盐材料组成，水星的密度为5.427g/cm3，在太阳系中是第二高的，仅次于地球的5.515g/cm3。如果不考虑重力压缩对物质密度的影响，水星物质的密度将是最高的。未经重力压缩的水星物质密度是5.3g/cm3，相较之下地球物质只有4.4g/cm3。

从水星的密度可以推测其内部结构细节。地球的高密度，特别是核心的高密度，是由重力压缩所导致的。水星的质量与重力较小，内部没有重力挤压效应，其核心含铁量较大而具有较高的密度。地质学家估计水星的核心占有体积的42%；地球的核心只占体积的17%。水星富铁的核心占据了其总质量的至少60%，它的半径更是达到了水星半径的四分之三。最近的研究强烈支持水星有一个熔融的核心，包围着核心的是500–700km厚的硅酸盐地幔。太阳系类地行星中，只有水星和地球拥有全球性的磁场。天文学家认为这些磁场是由它们核心外层中的电流所产生。根据水手10号任务和从地球观察的资料，水星的地壳被认为只有100-300km的厚度。水星表面的一大特征是有无数的窄脊，可以延伸到数百km长，天文学家相信这是在水星的地壳凝固后，核心和地幔因冷却而收缩造成的。

水星核心含有的铁高出太阳系内其他主要行星，已经有几种理论被提出来解释。得到最广泛支持的理论是水星原本有着类于于常见的球粒陨石金属-硅酸盐比率的核心，被认为是太阳系内典型的岩石物质，质量大约是当前质量的2.25倍。在太阳系早期的历史中，水星可能遭受到一颗直径数百千米，质量约为其1/6的微行星撞击。这次撞击剥离了大量原始的地壳和地幔，留下的核心就相对的成为组成中较大的部分。这一假说得到了信使号分光仪对水星表面元素丰度观测的支持。一个类似的假说，称为巨大撞击假说，被用来解释地球的卫星，月球的形成。另一假说为，水星在太阳输出的能量稳定下来之前就已经在太阳星云中形成。这颗行星原本的质量是当前的两倍，但在原行星的收缩过程中。当时水星的温度可能在2500-3500K，并且可能高达10000K，水星表面许多的岩石成分在如此的高温下可能都汽化，成为大气层中的“岩石蒸汽”，然后被太阳风吹走了。第三种假说认为，太阳星云造成水星吸积的物质被拖曳，这意味着水星表面较轻的物质会从吸积的材料中丢失。每种假说预测的水星表面有不同的成分，信使号和即将执行的贝皮可伦坡号任务都试图经由观测来测试上述的学说。信使号已经发现表面的钾和硫的含量在预测水准之上，巨大撞击假说的地壳和地幔的汽化未曾发生，因为钾和硫都会在这些事件的高温下被驱离。此一发现似乎倾向于较轻的行星材料受到拖曳而离开，造成较重的金属材料被浓缩。信使号的分光仪已经测量水星的组成，科学家发现水星的岩石所含的镁比起地球或月球表面要多得多，而铝则少得多。

水星坑穴的范围，在直径上从小型的碗型腔到跨越数百千米的多环撞击坑。从相对新鲜亮丽到高度退化火山口的残余物，展示了所有退化阶段的现象。水星的撞击坑与月球的有着微妙的差异，它们的喷发物覆盖的区域小得多，这显示水星有较强的表面重力。已知最大的陨石坑之一是卡洛里斯盆地，直径为1550km。撞击并创造卡洛里斯盆地的影响是如此的强大，它造成的火山熔岩喷发，留下高度在2千米以上的同心圆环围绕着陨石坑。在卡洛里盆地的对跖点是不寻常的、被称为“怪异地形”的大片丘陵地形区域。这种地形起源的一种假说是：撞击出卡洛里斯盆地的激震波环绕着行星，汇聚在盆地的对跖点（相距180度），结果造成了高应力的裂缝表面；另一种说法则认为是喷出物直接汇聚在卡洛里斯盆地对跖点的结果。

整体而言，在已有的水星影像中大约已经发现15个撞击盆地。一个著名的盆地是400千米宽、有着多重环的托尔斯泰盆地，它的喷发物覆盖造成的平原，从山脊和地板延伸达500千米。直径625千米的贝多芬盆地有着相似规模的喷发覆盖物。和月球一样，水星的表面也有遭受太空风化过程的影响，包括太阳风和微陨石撞击的影响。

尽管水星很小且以59天的长周期自转，水星仍有值得注意的全球性磁场。根据水手10号的测量，他的强度仅有地球的1.1%。在水星赤道的磁场强度大约是300nT。像地球一样，水星的磁场是双极的。不同于地球的是，水星的磁极和水星的自转轴几乎是一致的。来自水手10号和信使号两艘太空船的测量，都指出水星磁场的强度和形状都是稳定的。这个磁场可能是经由发电机效应形成的，有些类似于地球的磁场。这种发电机效应起因于行星富含铁的液体核心的循环，特别是行星轨道的高离心率带来强烈的潮汐作用，使核心保持液态更是发电机效应所必须的。

水星磁场的强度足以偏转围绕着该行星的太阳风，创造出磁层。水星的磁层虽然很小，但已足以将地球包含在内，也强到可以将太阳风的等离子拘束在内，对行星表面的太空风化产生贡献。水手10号太空船的观测在水星夜半侧的磁层内部侦测到低能量的等离子，在磁尾也侦测到高能量的微粒爆炸，这些都显示了水星磁层的动力学性质。

在2008年10月6日的第二次飞掠水星，信使号发现水星的磁场有甚高频的“渗漏”。太空船遭遇到磁性的“龙卷风”，缠绕扭曲的磁场与行星磁场联结并深入行星际空间，宽度达到800千米，或是行星半径的1/3。这个龙卷风形成时夹带着太阳风的磁场联结到水星的磁场。随着太阳风刮过水星的磁场，这些联结的磁场会被携走和扭曲成类似漩涡状的结构。这些扭曲的磁通量管，技术上称为通量传输事件，形成行星磁盾中开放的窗口，太阳风可以长驱直入并直接撞击到水星的表面。

这种联结行星际和行星磁场的过程称为磁重联，在宇宙中是很普遍的。它也发生在地球的磁场，通常也会产生磁场的龙卷风。信使号的观测显示重联结的速率在水星高出了10倍。但依水星和太阳的距离，信使号观测到的重联结仅有1/3。

水星是表面昼夜温差最大的行星，水星表面的赤道和两极之间有着陡峭的温度差，温度范围从100K至700K。日下点的温度在近日点时高达700K，而在远日点时只有550K；在行星夜晚的那一侧，平均温度是110K。阳光的强度范围是太阳常数（1,370W·m−2）的4.59和10.61倍；同时水星大气层极为稀薄无法有效保存热量，白天时赤道地区温度可达432°C，夜间可降至-172°C。在从未被阳光直接照射过的南北极环形山深坑底部，温度常年维持在102K以下，远低于水星的平均温度。

水星凌日当水星走到太阳和地球之间时，在太阳圆面上会看到一个小黑点穿过，这种现象称为水星凌日。其道理和日食类似，不同的是水星比月亮离地球远，视直径仅为太阳的190万分之一。水星挡住太阳的面积太小了，不足以使太阳亮度减弱，所以，用肉眼是看不到水星凌日的，只能通过望远镜进行投影观测。水星凌日每100年平均发生13次。在20世纪末有一次凌日是在1999年11月16日5时42分。在人类历史上，第一次预告水星凌日是“行星运动三大定律”的发现者，德国天文学家开普勒（1571至1630年）。他在1629年预言：1631年11月7日将发生稀奇天象——水星凌日。当日，法国天文学家加桑迪在巴黎亲眼目睹到有个小黑点（水星）在日面上由东向西徐徐移动。从1631年至2003年，共出现50次水星凌日。其中，发生在11月的有35次，发生在5月的仅有15次。每100年，平均发生水星凌日13.4次。

水星凌日的发生原理与日食极为相似，水星轨道与黄道面之间是存在倾角的，这个倾角大约为7度。这就造成了水星轨道与地球黄道面会有两个交点。即为升交点和降交点。水星过升交点即为从地球黄道面下方向黄道面上方运动，降交点反之。只有水星和地球两者的轨道处于同一个平面上，而日水地三者又恰好排成一条直线时，才会发生水星凌日。如果水星在过升降交点附近的两天恰好也发生了水星下合相位时，就有可能发生水星凌日天象。在十几个世纪内，水星凌日只可能发生在五月或十一月。发生在五月的为降交点水星凌日，发生在十一月的为升交点水星凌日。而发生在五月的水星凌日更为稀罕，水星距离地球也更近。水星凌日发生的周期同样遵循如日月食那样的沙罗周期。在同一组沙罗周期内的水星凌日的发生周期为46年零1天又6.5小时左右。但是这个46年的周期中如果有12个闰年。周期即为46年零6.5小时左右。这里所说的时间差值是同一沙罗周期相邻两次水星凌日中凌甚的时间差值。因为同一沙罗周期相邻两次水星凌日发生的时长是不同的。

2022年水星共有7次大距，其中，西大距有3次，东大距有4次。2022年1月7日，水星东大距；10月9日，水星西大距；12月21日，水星将迎东大距，这是水星在2022年的最后一次大距。