当一个半球上是冬季的时候，这个半球的极冠就增大；夏季的时候则缩小，有时完全消逝。火星的极冠的主要成分是水冰，也有少量干冰。早在十七世纪就已为荷兰学者惠更斯所发现。用望远镜观测，极冠是火星面上最显著的标志,并随火星的季节变化:南北极冠各自在所属半球的冬天扩大,夏天缩小。1898年,英国物理学家斯托尼设想极冠的成分是固体二氧化碳(干冰)。在二十世纪四十年代末、五十年代初，柯伊伯通过分光观测认为极冠是由水冰而不是由干冰组成。“水手号”和“海盗号”探测器对火星两极地区进行多次考察，确认极冠中既有水冰又有干冰。极冠的温度在－70℃到－139℃之间。火星大气中有相当数量的二氧化碳在冬季半球的极地凝结，因而使该半球的极冠面积扩大（最大的时候达到纬度60°处）。当该半球进入春天时，二氧化碳汽化；此后又在另一半球的极地凝结。水汽由于凝固点较高，便在两极的高纬度地区形成范围较小的永久性极冠。据估计，极冠中大约保存有大气中20%的二氧化碳，而保存的水则比大气中的多得多。极冠中的水冰，如果全部融化并均匀分布在火星表面，就会形成一个10米厚的水层。极地的照片表明，极冠不是整块的，而有分层的结构。在冰的覆盖层的边缘形成一系列的台阶。各层的厚度为10～50米。对这种结构的解释是：可能是极地受过严重的侵蚀，也可能是火星气候的冷暖交替引起极冠的融化和冻结所致。