Sedimen kutub, es tanah, dan gletser
Di setiap kutub ada setumpuk sedimen kaya air yang berlapis es halus setebal 3 km (2 mil) dan hanya beberapa puluh juta tahun. Pelapisan diekspos di sekitar pinggiran sedimen dan di lembah yang keluar dari kutub. Di musim dingin, sedimen tertutup oleh karbon dioksida, tetapi terekspos di musim panas. Di kutub utara mereka membentang ke selatan hingga 80 ° lintang. Di kutub selatan luasnya kurang jelas, tetapi mereka tampaknya meluas lebih jauh dari kutub daripada di utara. Pelapisan diyakini sebagai hasil dari variasi dalam proporsi debu dan es, mungkin disebabkan oleh perubahan kemiringan sumbu rotasi (miring). Pada obliquities tinggi es air diusir dari kutub, mungkin menyebabkan sisa air-es menghilang sepenuhnya dan es disimpan di lintang yang lebih rendah. Pada obliquities rendah tutup air-es sudah maksimal. Variasi miring juga mempengaruhi timbulnya badai debu dan pengendapan debu di kutub. Deposito tersebut memiliki usia yang muda karena semuanya telah terakumulasi sejak periode terakhir dengan kemiringan tinggi ketika sedimen sebelumnya dihilangkan. Satu kekhasan dari sedimen di kutub utara adalah bahwa mereka dikelilingi oleh, dan mungkin bertumpu pada, bidang gundukan luas yang kaya akan gipsum mineral sulfat.
Dalam kondisi saat ini, pada garis lintang lebih tinggi dari 40 °, es tanah stabil secara permanen pada kedalaman kurang dari 1 meter (3 kaki) di bawah permukaan karena suhu di sana tidak pernah mencapai di atas titik beku. Di atas 60 ° lintang es itu cukup dangkal untuk dapat dideteksi dari orbit. Es juga ditemukan tepat di bawah permukaan oleh pendarat Phoenix di 68 ° LU. Di lintang lebih tinggi dari 40 °, kawah tumbukan baru-baru ini telah menggali permukaan hingga kedalaman lebih dari 2 meter (7 kaki), mengungkapkan es tanah. Ada juga banyak fitur permukaan yang disebabkan oleh keberadaan es tanah yang berlimpah. Ini termasuk tanah yang retak secara poligon yang mirip dengan yang ditemukan di daerah permafrost terestrial dan pelunakan umum medan, mungkin disebabkan oleh aliran material dari permukaan yang dekat dengan es. Karakteristik yang mencolok dari pita-pita berukuran 40 ° –60 ° yang mengindikasikan es adalah adanya celemek di dasar lereng yang paling curam. Bahan-bahan yang ditumpahkan dari lereng tampaknya telah mengalir puluhan kilometer jauhnya dari lereng, dan radar penembus-tanah menunjukkan bahwa celemek mengandung sebagian besar es.
Selama periode miring tinggi, es yang didorong dari kutub menumpuk di permukaan pada garis lintang yang lebih rendah, mungkin membentuk gletser. Pemodelan sirkulasi atmosfer menunjukkan bahwa lokasi yang disukai untuk akumulasi es selama periode ini adalah lereng barat gunung berapi Tharsis dan timur laut cekungan Hellas. Semua lokasi ini kaya akan fitur aliran dan bentuklahan yang hampir sama, yang menunjukkan bahwa gletser memang ada sebelumnya.
Instrumen radar di pesawat ruang angkasa Mars Express mendeteksi kemungkinan danau berisi air cair di bawah lapisan es kutub selatan. Karena suhu tanah di bawah tutup kutub diyakini sekitar −68 ° C (−90 ° F), air di danau harus sangat asin.
Wilayah kutub utara juga berisi area bukit pasir terbesar di Mars. Bukit pasir, yang menempati bagian utara dataran yang dikenal sebagai Vastitas Borealis, membentuk sebuah band yang hampir sepenuhnya mengelilingi topi sisa kutub utara. Interlayering pasir dan salju karbon dioksida musiman dapat dilihat di beberapa lokasi, menunjukkan bahwa bukit pasir aktif setidaknya pada skala waktu musiman.
