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。