Безводный Марс высох не сразу — на планете наблюдались циклы оледенения и оттаивания, постепенного теряя воды на протяжении сотен миллионов лет. Исследования марсианских кратеров, выступающих как «ледяные архивы», показывают, что ледосодержащие формы рельефа сохранялись исключительно в кратерах между 20° и 45° северной широты, особенно на затененных и холодных юго-западных стенках кратеров. Эти места являются энергетическими хранилищами сохранившегося водяного льда на Марсе.
Циклы оледенения на Марсе видимы с большими изменениями наклона оси планеты, которые продолжались на протяжении миллионов лет. Благодаря этим изменениям в модификациях наблюдались солнечные лучи, вызывающие циклы накопления и таяния льда. При этом с каждым новым циклом общий запас льда постепенно уменьшался.
Кроме того, под поверхностью Марса, в частности, под экваториальной зоной, обнаружены толстые слои водяного льда, покрытые вулканическим пеплом и марсианской пылью, достигающие глубины более 3 километров. Существуют также сейсмические данные о жидкой воде в слоях кор на глубинах от 5,4 до 8 км в некоторых местах, где давление и температура позволяют поддерживать воду в жидком состоянии.
Таким образом, на Марсе водяной лед все еще сохраняется в сохранившихся подповерхностных слоях, на северных и умеренных широтах, в ледяных кратерах, а также, возможно, в жидкой форме в горных слоях коры.