Každý, kdo se podívá na glóbus nebo celosvětovou mapu Marsu, ji nemůže přehlédnout: největší a nejdelší kaňon ve sluneční soustavě. Podél marťanského rovníku se táhne v délce asi 4 000 kilometrů, takže kdyby se nacházel na území Spojených států, sahal by od New Yorku až po San Francisco. Dno kaňonu se propadá 11 km pod okolní pláně. To je stejně hluboko jako některé nejhlubší části oceánu na Zemi. Jedná se o Valles Marineris neboli Marinerské údolí a jeho západní pokračování Noctis Labyrinthus, Labyrint noci.

Tento obrovský soubor vzájemně propojených údolí se rozprostírá od výšky sopečného výběžku Tharsis směrem na východ, až klesá do několika kanálů a oblastí chaotického terénu. Přirozeně se dělí na tři segmenty.

Na západě je Noctis Labyrinthus tvořen sítí vzájemně se protínajících uzavřených kaňonů a prohlubní. Ty se zřejmě shodují se zlomy v okolní náhorní plošině. Dále na východ v Noctisu se deprese rozšiřují a prohlubují a stávají se souvislejšími, když se spojují v hlavní kaňony Valles Marineris ve směru východ-západ. Dále na východ se kaňony stávají mělčími a častěji se v nich vyskytují fluviální prvky. Nakonec se systém kaňonů ztrácí v chaotickém terénu.

Ačkoli kaňony vykazují mnoho známek toho, že obsahují jezera, předpokládá se, že samotné kaňony vznikly geologickými zlomy obrovského rozsahu. Kaňony jsou gigantickými drapáky. Graben je kus zemské kůry, který klesá mezi zhruba rovnoběžnými zlomy na obou stranách, když je kůra pod napětím. Vědci přesně nevědí, co tento proces odstartovalo, ale většina předpokládá, že zlomy souvisely se zvýšenou vulkanickou činností na Tharsisu.

Jezera, pravděpodobně napájená podzemní vodou, vytvořila na mnoha místech na dně kaňonů vrstevnaté usazeniny – například v Ophir Chasma a Candor Chasma. Dokonce i uzavřená prohlubeň Hebes Chasma je z velké části vyplněna obrovskou mezí. Vědci se domnívají, že byla vybudována z materiálu, který se zřítil v sesuvech ze stěn, když byl Hebes naplněn vodou.

Sesuvy půdy podél stěn kaňonu byly hlavním procesem rozšiřujícím celý systém kaňonu, spolu s fluviální činností podzemní vody. Jezera byla odvodňována východním směrem, po regionálním svahu. Při odtoku z kaňonů vytvářela unikající voda rozsáhlé povodňové kanály, které nakonec ústily do severních nížin.

Země nemá žádný geologický útvar, který by se vyrovnal Valles Marineris. Nejbližší paralely má s pozemskými riftovými údolími, jako je to ve východní Africe. To se táhne na jih od Rudého moře přes Etiopii, Keňu, Tanzanii do Mosambiku. Východoafrický rift má však mnoho aktivních sopek, zatímco Valles Marineris se zdá být bez nich, přestože se nachází na okraji Tharsis. Otázka, jak se Valles Marineris zrodilo, zformovalo a rozrostlo, zůstává vyřešena jen částečně.