Wie een wereldbol of een wereldwijde kaart van Mars bekijkt, kan hem niet missen: de grootste en langste canyon in het zonnestelsel. Deze kloof, die over een lengte van 4000 kilometer langs de evenaar van Mars loopt, zou van New York City tot San Francisco lopen als hij in de Verenigde Staten zou liggen. De bodem van de kloof zakt 11 km onder de omringende vlakten. Dat is net zo diep als sommige van de diepste delen van de oceaan hier op aarde. Dit is Valles Marineris, oftewel de Marinervallei, en zijn westelijke uitbreiding, Noctis Labyrinthus, het Labyrinth van de Nacht.

Deze immense verzameling van onderling verbonden valleien spreidt zich uit vanaf de hoogte van de Tharsis vulkanische uitstulping oostwaarts tot het afdaalt in verschillende kanalen en chaos terrein regio’s. Het verdeelt zich op natuurlijke wijze in drie segmenten.

In het westen bestaat Noctis Labyrinthus uit een netwerk van elkaar kruisende gesloten ravijnen en depressies. Deze lijken in lijn te liggen met breuken in het omringende plateau. Verder naar het oosten in Noctis worden de depressies breder en dieper en worden meer aaneengesloten als ze samensmelten om de belangrijkste oost-west lopende canyons van Valles Marineris te vormen. Verder naar het oosten worden de canyons ondieper en komen fluviatiele elementen vaker voor. Uiteindelijk verdwijnt het canyonsysteem in chaotisch terrein.

Hoewel de canyons veel tekenen vertonen van het bevatten van meren, worden de canyons zelf verondersteld te zijn gevormd door geologische breuklijnen op een enorme schaal. De canyons zijn gigantische greppels. Een graben is een stuk korst dat naar beneden valt tussen ruwweg parallelle breuken aan beide zijden wanneer de korst onder spanning staat. Wetenschappers weten niet precies waardoor het proces in gang is gezet, maar de meesten vermoeden dat de breukvorming verband hield met de toename van vulkanische activiteit in Tharsis.

De meren, waarschijnlijk gevoed door grondwater, vormden op talrijke plaatsen gelaagde afzettingen op de canyonbodem – Ophir Chasma en Candor Chasma, om er maar twee te noemen. Zelfs de gesloten depressie van Hebes Chasma is grotendeels gevuld met een reusachtige mesa. Wetenschappers denken dat deze is opgebouwd uit materiaal dat door aardverschuivingen van de wanden is gestort toen Hebes gevuld was met water.

Landslides langs de wanden van de canyon waren het belangrijkste proces dat het hele canyon-systeem heeft vergroot, samen met fluviatiele actie van grondwater. De meren waterden af in oostelijke richting, langs de regionale helling. Terwijl ze uit de canyons stroomden, bouwde het ontsnappende water grote vloedkanalen die uiteindelijk uitmondden in de noordelijke laagvlakte.

De aarde heeft geen geologisch kenmerk dat Valles Marineris evenaart. De dichtste parallellen zijn met aardse rift valleien, zoals die in Oost-Afrika. Deze loopt zuidwaarts van de Rode Zee via Ethiopië, Kenia, Tanzania naar Mozambique. Maar de Oost-Afrikaanse Rift heeft veel actieve vulkanen, terwijl Valles Marineris vrij van vulkanen lijkt te zijn, ondanks dat het aan de rand van Tharsis ligt. De vraag hoe Valles Marineris is ontstaan, vorm heeft gekregen en is gegroeid, is nog maar gedeeltelijk beantwoord.