火星离太阳最近时只有 2.065 亿公里，最远时为 2.491 亿公里；绕太阳公转轨道的偏心率为 0.09。在九大行星中，除冥王星外，火星的偏心率最大，其公转轨道为椭圆形。火星的轨道半长径约为 1.52 个天文距离单位，它绕太阳公转一周要 686.98 日，差不多比地球的一年长一倍；自转周期为 24 小时 37 分 23 秒，其一天的长度几乎和地球相同。火星的自转轴也有一个 25°的倾角，与地球的 23.5°差不多。因此，火星上也有四季变化，每季长度约相当于地球上两个季节的长度。

火星在椭圆轨道上运行时，与地球的距离有较大的变化。火星与地球的会合周期是 779.87 天，即大约每隔两年两个月，火星接近地球一次。当地球和火星运行到太阳的同一侧，并差不多排列在一条直线时，称为火星冲日。冲日前后火星与地球的距离最为接近，但每次的距离又各不相同，在 5570 万至 12000 万公里之间变化。由于火星的椭圆轨道偏心率大，每隔 15～17年有一次与地球相距特别近的冲，称为大冲，那时是观测火星的最佳时刻。