В структуре шапок присутствуют два компонента: вековой, состоящий большей частью из водяного льда и сезонный, содержащий главным образом, замерзшую углекислоту. Углекислые шапки зимой быстро растут, добираясь до 50-й параллели. С наступлением весны углекислый лед испаряется и остается только водяной лед. При этом испарение углекислоты южной полярной шапки идет настолько интенсивно, что орбитальный зонд «Марс-Одиссей» обнаружил на ней действующие гейзеры. На детальных снимках полярных шапок видна их слоистая структура, а благодаря красноватым завиткам марсианской пыли одна фотография получила название "Марсианское капучино".
Северная полярная шапка состоит из множества слоев. Ученые считают, что накопление материала в этой области началось еще в среднеамазонийскую эпоху геологической истории планеты (примерно 1.5 — 0.5 миллиарда лет назад). Теперь северная полярная шапка хранит климатическую историю Марса последних нескольких сотен миллионов лет.
Стефано Нероцци (Nerozzi Stefano) из Техасского университета в Остине с коллегами проанализировал результаты зондирования северной полярной шапки до глубины в несколько сотен метров с помощью радиолокатора SHARAD орбитального зонда Mars Reconnaissance Orbiter. До этого исследования считалось, что льды древних полярных шапок испарились полностью.
Авторы доказали, что отложения под полярной шапкой состоят из перемежающихся слоев базальтового песка и водяного льда. Доля льда оказалось неожиданно высока: от 62 до 88 процентов в разных частях шапки, т.е., дефицита воды у колонистов Марса не будет. Если полярную шапку растопить, то вся поверхность Марса покроется слоем воды глубиной около полутора метров.