Les deux lunes de la planète sont Phobos et Deimos (noms tirés des fils du dieu Arès dans la Grèce antique). Ils orbitent près de la planète, à quelques milliers de kilomètres de celle-ci. Elles sont liées à Mars par les forces de marées, montrant toujours la même face dans sa direction. Comme Phobos orbite autour de Mars

plus rapidement que ne tourne la planète elle-même, les forces de marées font décroître son rayon orbital de manière lente, mais constante, au rythme de 9 cm par an. Dans 20 à 40 millions d'années, Phobos s'écrasera sur la surface martienne. Déimos, en revanche, est

assez éloigné pour que son orbite tende plutôt à s'éloigner, cela de manière infiniment lente. C'est une allusion à un vers grec, « Le Dieu de la guerre arrive, flanqué de ses deux satellites (hommes de main) peur et terreur » phobos signifie en grec 'peur', et deimos 'terreur'.

Phobos

Deimos et Phobos sont constitués de roches riches en carbone  et de glace(comme les astéroïdes de type-C). Tous les deux sont parsemés de cratères d'impact comme tous les objets telluriques du système solaire.
L'orbite de Phobos est en-dessous du rayon orbital synchrone. Il se lève à l'ouest, se déplace très rapidement à travers le ciel et se couche à l'est, 2 fois par jour. Il est si près de Mars qu'il ne peut pas être observé au-dessus de l'horizon en tout point de la surface. Phobos est condamné puisque son orbite étant en-dessous de l'altitude synchrone, les forces de marées diminuent progressivement son rayon orbital au taux de 1,8 mètres par siècle. Dans environ 40 millions d'années, il se brisera pour former un anneau autour de Mars ou s'écrasera à sa surface.

le cratère de Stickney, à gauche sur la photo, mesure plus de 9 km de diamètre, (près de la moitié du diamètre de Phobos), Stickney est si grand que cet impact aurait pu désintégrer complètement la petite lune de Mars.
à droite, superbe image de la caméra HiRISE de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter prise à 6000 km de Phobos.

Deimos

Déimos serait à l'origine une météorite primitive, car tout comme Phobos, sa composition diffère de celle de Mars. Cette lune se serait formé dans la ceinture d'astéroïdes externe entre Mars et Jupiter, car sa couleur et sa densité sont proches des astéroïdes de type C, courants dans cette ceinture d'astéroïdes. C'est un petit corps de forme irrégulière très sombre, tournant en 30H18mn sur son orbite à 23 460 km. Il est en rotation synchrone, présentant, tout comme Phobos ou la Lune, toujours la même face à la planète. Trop proche de Mars, il ne peut plus être visible au-delà du 82ème parallèle. Deimos paraît lisse avec son sol comblé de poussière de régolite, aucun cratère ne dépasse 3 000 m de diamètre. La surface semble exempte de stries. Compte tenu de sa faible gravité 4.10^-4g, due à sa petite taille, un homme décollerait en sautant à 36 km/h, ce qui équivaut à une vitesse de libération de 10m/s.