太陽(yáng)系中，比火星更遠(yuǎn)的其他4顆行星（木星、土星、天王星、海王星）有時(shí)合稱為外行星，它們沒(méi)有內(nèi)行星那樣的位相變化，也不受早晚出現(xiàn)的限制，游弋于黃道附近，它們可以出現(xiàn)在夜間任何時(shí)候。從地球上看去，外行星同太陽(yáng)的角距在0°～360°之間變化。外行星相對(duì)于太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)也有4個(gè)特殊位置：合、沖、東方照、西方照。合是外行星位于太陽(yáng)的背面，即外行星和太陽(yáng)在同一個(gè)方向上，我們看不見(jiàn)它。“合”是指外行星與地球分居太陽(yáng)兩側(cè)，二者相距最遠(yuǎn)，且無(wú)法觀測(cè)的時(shí)刻（因與太陽(yáng)一起東升西落，出現(xiàn)在白天）。合之后若干時(shí)間，外行星西移到離太陽(yáng)有一定角距時(shí)，日出前出現(xiàn)在東方地平線上，行星在太陽(yáng)以東90°成為東方照。以后行星西移至太陽(yáng)西方90°成為西方照，在后半夜都可以見(jiàn)到。“沖”是外行星隔著地球同太陽(yáng)相對(duì)，當(dāng)外行星運(yùn)動(dòng)至與合相反的位置，正好使地球位于外行星與太陽(yáng)中間，這種位置天文學(xué)上稱為“沖日”，簡(jiǎn)稱“沖”。當(dāng)外行星到達(dá)沖的位置時(shí)，太陽(yáng)剛落山它就從東方升起，整夜都可以觀測(cè)到，這時(shí)的外行星距離地球最近。過(guò)沖后，外行星繼續(xù)西移，又移到東方照、西方照，外行星連續(xù)2次合或沖的時(shí)間間隔叫做會(huì)合周期。

火星的軌道偏心率為0.0934，遠(yuǎn)日點(diǎn)距離是24920萬(wàn)千米，近日點(diǎn)距離是20670萬(wàn)千米。火星在橢圓軌道上運(yùn)行時(shí)同地球的距離變化很大，火星與地球的會(huì)合周期是779.94天，即大約每隔這樣一段時(shí)間，火星接近地球一次。雖然每次火星沖日前后，火星同地球的距離接近，但是每次的距離又不相同，火星沖日時(shí)與地球的距離在5500萬(wàn)～12000萬(wàn)千米之間變化。當(dāng)火星沖日又在距離地球最近（可達(dá)5500萬(wàn)千米）時(shí)，稱為“火星大沖”。平均說(shuō)來(lái)，火星每15～17年間出現(xiàn)一次大沖。上一次大沖發(fā)生在2003年8月27日，火星與地球相距不到5576萬(wàn)千米，是5萬(wàn)年來(lái)地球最接近火星的一次，也是未來(lái)21世紀(jì)、22世紀(jì)火星最接近地球的時(shí)刻。

火星大沖時(shí)顯得特別明亮，且整夜可觀測(cè)到，是觀測(cè)研究火星的最好時(shí)機(jī)。通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡觀察，火星兩極始終為白色物質(zhì)所覆蓋——稱為火星極冠，隨著季節(jié)的變化，火星極冠也隨著寒來(lái)暑往消長(zhǎng)。早在1870年，法國(guó)有個(gè)名叫良依斯的天文學(xué)家指出，火星上觀察到的一些暗區(qū)，很可能是植物帶。1877年火星大沖的時(shí)候，意大利天文學(xué)家斯基帕雷里發(fā)現(xiàn)火星表面的一些特征，主要是一些細(xì)而長(zhǎng)的黑線條，他當(dāng)時(shí)稱之為“canal”（水渠），結(jié)果許多人因此想象那些線條是火星上的“人工運(yùn)河”。進(jìn)而把所謂“火星人”想象得比地球人還聰明。