太阳系中，比火星更远的其他4颗行星（木星、土星、天王星、海王星）有时合称为外行星，它们没有内行星那样的位相变化，也不受早晚出现的限制，游弋于黄道附近，它们可以出现在夜间任何时候。从地球上看去，外行星同太阳的角距在0°～360°之间变化。外行星相对于太阳的视运动也有4个特殊位置：合、冲、东方照、西方照。合是外行星位于太阳的背面，即外行星和太阳在同一个方向上，我们看不见它。“合”是指外行星与地球分居太阳两侧，二者相距最远，且无法观测的时刻（因与太阳一起东升西落，出现在白天）。合之后若干时间，外行星西移到离太阳有一定角距时，日出前出现在东方地平线上，行星在太阳以东90°成为东方照。以后行星西移至太阳西方90°成为西方照，在后半夜都可以见到。“冲”是外行星隔着地球同太阳相对，当外行星运动至与合相反的位置，正好使地球位于外行星与太阳中间，这种位置天文学上称为“冲日”，简称“冲”。当外行星到达冲的位置时，太阳刚落山它就从东方升起，整夜都可以观测到，这时的外行星距离地球最近。过冲后，外行星继续西移，又移到东方照、西方照，外行星连续2次合或冲的时间间隔叫做会合周期。
火星的轨道偏心率为0.0934，远日点距离是24920万千米，近日点距离是20670万千米。火星在椭圆轨道上运行时同地球的距离变化很大，火星与地球的会合周期是779.94天，即大约每隔这样一段时间，火星接近地球一次。虽然每次火星冲日前后，火星同地球的距离接近，但是每次的距离又不相同，火星冲日时与地球的距离在5500万～12000万千米之间变化。当火星冲日又在距离地球最近（可达5500万千米）时，称为“火星大冲”。平均说来，火星每15～17年间出现一次大冲。上一次大冲发生在2003年8月27日，火星与地球相距不到5576万千米，是5万年来地球最接近火星的一次，也是未来21世纪、22世纪火星最接近地球的时刻。
火星大冲时显得特别明亮，且整夜可观测到，是观测研究火星的最好时机。通过天文望远镜观察，火星两极始终为白色物质所覆盖——称为火星极冠，随着季节的变化，火星极冠也随着寒来暑往消长。早在1870年，法国有个名叫良依斯的天文学家指出，火星上观察到的一些暗区，很可能是植物带。1877年火星大冲的时候，意大利天文学家斯基帕雷里发现火星表面的一些特征，主要是一些细而长的黑线条，他当时称之为“canal”（水渠），结果许多人因此想象那些线条是火星上的“人工运河”。进而把所谓“火星人”想象得比地球人还聪明。