Wer einen Globus oder eine Weltkarte des Mars betrachtet, kann ihn nicht übersehen: den größten und längsten Canyon im Sonnensystem. Er erstreckt sich entlang des Marsäquators über eine Länge von etwa 4.000 Kilometern (2.500 Meilen) und würde von New York City bis San Francisco reichen, wenn er in den Vereinigten Staaten läge. Der Grund des Canyons liegt 11 km tief unter den umliegenden Ebenen. Das ist so tief wie einige der tiefsten Stellen des Ozeans hier auf der Erde. Dies ist das Valles Marineris oder Mariner-Tal und seine westliche Ausdehnung, Noctis Labyrinthus, das Labyrinth der Nacht.

Diese riesige Reihe miteinander verbundener Täler erstreckt sich von der Höhe der vulkanischen Ausbuchtung von Tharsis ostwärts, bis sie in mehrere Kanäle und Regionen mit chaotischem Gelände abfällt. Es teilt sich auf natürliche Weise in drei Segmente auf.

Im Westen besteht Noctis Labyrinthus aus einem Netzwerk sich überschneidender geschlossener Canyons und Vertiefungen. Diese scheinen mit Verwerfungen in der umgebenden Hochebene übereinzustimmen. Weiter östlich in Noctis verbreitern und vertiefen sich die Vertiefungen und werden kontinuierlicher, wenn sie sich zu den Hauptschluchten der Valles Marineris mit Ost-West-Tendenz vereinigen. Weiter im Osten werden die Canyons flacher, und es treten häufiger fluviale Merkmale auf. Schließlich verschwindet das Canyonsystem in chaotischem Gelände.

Obwohl die Canyons viele Anzeichen dafür aufweisen, dass sie Seen enthalten, geht man davon aus, dass die Canyons selbst durch geologische Verwerfungen von riesigem Ausmaß entstanden sind. Die Canyons sind gigantische Gräben. Ein Graben ist ein Stück Kruste, das sich zwischen etwa parallelen Verwerfungen auf beiden Seiten absenkt, wenn die Kruste unter Spannung steht. Die Wissenschaftler wissen nicht genau, was den Prozess ausgelöst hat, aber die meisten vermuten, dass die Verwerfungen mit der Zunahme der vulkanischen Aktivität auf Tharsis zusammenhängen.

Die Seen, die wahrscheinlich durch Grundwasser gespeist wurden, bildeten an zahlreichen Stellen Schichtablagerungen auf dem Canyonboden – Ophir Chasma und Candor Chasma, um nur zwei zu nennen. Selbst die geschlossene Senke von Hebes Chasma ist größtenteils mit einem riesigen Tafelberg gefüllt. Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie aus Material besteht, das bei Erdrutschen von den Wänden herabgestürzt ist, als sich Hebes mit Wasser füllte.

Es waren vor allem Erdrutsche entlang der Canyonwände, die das gesamte Canyonsystem vergrößerten, sowie fluviale Aktivitäten durch Grundwasser. Die Seen entwässerten in Richtung Osten, den regionalen Hang hinunter. Bei ihrem Abfluss aus den Canyons bildete das austretende Wasser große Flutrinnen, die schließlich in das nördliche Tiefland mündeten.

Auf der Erde gibt es keine geologische Besonderheit, die den Valles Marineris entspricht. Die engsten Parallelen finden sich bei irdischen Grabenbrüchen, wie dem in Ostafrika. Dieser verläuft südlich vom Roten Meer durch Äthiopien, Kenia, Tansania und Mosambik. Im Ostafrika-Graben gibt es jedoch viele aktive Vulkane, während die Valles Marineris frei davon zu sein scheinen, obwohl sie am Rande von Tharsis liegen. Die Frage, wie Valles Marineris geboren wurde, Gestalt annahm und wuchs, ist nur teilweise geklärt.