На сегодняшний день ученые собрали достаточно данных, чтобы приблизительно восстановить археологическую историю Марса.
Пренойская эра
Первая известная эра Марса, пренойская, началась около 4,5 миллиардов лет назад и длилась первые полмиллиарда лет после его формирования. В этот период на планете образовались филосиликаты — листовые силикаты, подобные слюде на Земле. Эти минералы формировались при взаимодействии мантийных пород с водой, указывая на наличие воды в те времена. На Земле аналогичный период известен как катархей.
Начало вулканической активности
Пренойская эра Марса перетекла в нойскую примерно 4 миллиарда лет назад, характеризующуюся активной вулканической деятельностью. В этот период начали формироваться первые вулканы, такие как Фарсида. Земля в то время переживала эоархей, и на ней также началась вулканическая активность, а древнейшие земные строматолиты — окаменелые остатки цианобактерий — относятся к концу этого периода. Вероятно, Земля и Марс обменивались биологическим материалом при ударах астероидов.
Гесперийская эра
Примерно 3,5 миллиарда лет назад на Марсе наступила гесперийская эра, когда планета имела постоянную гидросферу. На северных равнинах находился соленый океан объемом до 15-17 миллионов кубических километров и глубиной до 1 километра. Океан иногда распадался на два: один занимал бассейн Утопии, другой располагался у Северного полюса. В умеренных и низких широтах были озера и реки, а на Южном плато — ледники. Атмосфера Марса в то время была плотной, с температурой до 50 °C и давлением более 1 атмосферы. Три метеорита марсианского происхождения, ALH 84001, Накла и Шерготти, содержащие образования, похожие на окаменелые микроорганизмы, были выброшены на Землю именно в эту эру.
Амазонийская эра
2,5 миллиарда лет назад на Земле начался протерозой, когда фотосинтезирующие организмы начали производить кислород, вызывая "кислородную катастрофу" для анаэробов. На Марсе началась амазонийская эра, сопровождающаяся быстрыми климатическими изменениями. Тектонические и вулканические процессы постепенно затухали, но всё же оставили величественные вулканы, такие как Олимп. Гидросфера и атмосфера Марса изменялись, Северный океан то появлялся, то исчезал, а катастрофические наводнения создали огромные каньоны, такие как долина Ареса и долина Касей.
Завершение эры
С течением времени вода на Марсе стала исчезать — испаряться или замерзать. Из-за небольшой массы планеты энергия для тектонической активности иссякла, и последним проявлением активности стала долина Маринера. Вулканическая активность продолжалась некоторое время за счет радиоактивного разогрева недр, но со временем магнетическое поле исчезло, а атмосфера стала рассеиваться, уменьшив парниковый эффект.