Los casquetes polares en Marte son muy diferentes. El del polo norte es mucho más grande (con una extensión parecida a la de Groenlandia) y está formado principalmente por hielo de agua. El del polo sur, es extraño, porque se compone sobre todo de hielo de dióxido de carbono, que es el componente principal de la atmósfera de Marte. Este casquete es mucho más pequeño que el norte; siendo sólo la décima parte de su tamaño. El otro lado del polo contiene un área mucho más extensa, que se compone de hielo estacional en invierno, pero que presenta un bajo albedo (capacidad de reflejar luz).
Gracias a las imágenes tomadas por la sonda Mars Global Surveyor, datos de temperatura y modelos climáticos, los científicos han desarrollado una nueva teoría acerca de esa zona de bajo albedo. Creen que se trata de una capa de hielo inusualmente transparente. El motivo de su bajo albedo es que el terreno sepultado debajo se muestra a través del hielo.
El casquete permanente del polo sur se encuentra en el hemisferio occidental, donde hay fuertes tormentas durante los inviernos marcianos. Recibe muchas nevadas en forma de "copos" de dióxido de carbono. Estas brillantes partículas tienen un alto albedo, por lo tanto, constituyen el muy visible casquete permanente.
El hemisferio oriental es más cálido y no sufre casi tempestades. Los científicos creen que en vez de caer en forma de nieve, el dióxido de carbono de la atmósfera se condensa sobre el suelo formando una capa de cierto tipo de hielo muy transparente. Esta capa, según sus estimaciones, tiene tan sólo alrededor de un metro de profundidad.
El hielo de CO2 rnecesita para formarse temperaturas mucho más frías (125 grados centígrados bajo cero) que el hielo de agua que se forma en el polo norte.
La precipitación de nieve en sólo un hemisferio del polo sur puede ser explicada por el clima asimétrico de Marte en el sur. La topografía del planeta es severa, y sus diferentes rasgos tienen una gran influencia sobre el clima.
Se cree que las eras glaciales en la Tierra fueron causadas por pequeños cambios en la inclinación del eje de rotación y en su órbita. En el pasado, Marte ha sufrido variaciones también, pero mucho más acusadas. En sus mayores eras glaciales, tuvo casquetes polares estacionales que llegaban hasta casi su ecuador, y en las eras más tórridas sus casquetes polares permanentes llegaron a derretirse por completo.