Im Prinzip ähnelt der Aufbau des Mars dem der Erde: Ein Modell aus mehreren Schalen beschreibt ihn recht genau, wobei das Modell durch neue wissenschaftliche Erkenntnisse ständig erweitert wird. Dem aktuellen Kenntnisstand zufolge misst der Kern des Planeten zwischen 3.000 und 3.600 Kilometer Durchmesser und besteht größtenteils aus flüssigem Eisen mit einem Schwefelanteil von 14 bis 17 Prozent. Zu dieser Schlussfolgerung kam man durch die Analyse von Daten des Mars Global Surveyor. Mit ihren empfindlichen Instrumenten hatte die Raumsonde vor einigen Jahren die Gezeitenwirkung der Sonne auf den Mars untersucht, die eine ähnliche Wirkung hat, wie die Anziehungskraft des Mondes auf die Erde. Es bilden sich Gezeitenberge auf der sonnenzugewandten und auf der sonnenabgewandten Seite des Planeten. Auf dem Mars ist das Phänomen natürlich wesentlich schwächer ausgeprägt, aber dennoch messbar, womit sich Rückschlüsse auf den inneren Aufbau ziehen lassen.
Noch ungeklärt ist die Frage, ob der komplette Kern flüssig ist, oder ob das Zentrum des Planeten aus einem festen Eisenkern besteht, wie bei der Erde. Die Messdaten deuten jedoch auf einen komplett flüssigen Kern hin.
Über dem Kern liegt der Mantel, welcher vornehmlich aus Silikaten besteht. In der Frühzeit des Mars war der Mantel für den aktiven Vulkanismus und verschiedene plattentektonische Vorgänge verantwortlich. Durch den enormen Druck unter der Oberfläche wölbte sich beispielsweise die gesamte Tharsis-Region nach oben und es kam zur Bildung der mächtigen Vulkane, während Dehnungsbrüche weiteren Einfluss auf die Oberflächengestaltung nahmen. Die Marskruste weist eine Dicke zwischen 40 und 125 Kilometern auf und hat einen hohen Gehalt an Eisenverbindungen, vor allem Eisenoxiden (besser bekannt unter der gängigen Bezeichnung Rost), welche auch für die rötliche Farbe des Planeten sorgt.