ดาวอังคารมีดาวบริวารค่อนข้างเล็กสองดวง ได้แก่ โฟบอส (เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 22 กิโลเมตร) และ ดีมอส (เส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 12 กิโลเมตร) โดยมีวงโคจรใกล้กับดาวเคราะห์แม่ ทฤษฎีที่อธิบายว่าทั้งคู่เป็นดาวเคราะห์น้อยที่ถูกจับเอาไว้เป็นที่นิยมมายาวนาน แต่สำหรับกำเนิดที่มานั้นยังคลุมเครือ[265] ดาวบริวารทั้งสองถูกค้นพบในปี 1877 โดยเอเสฟ ฮอลล์ ตั้งชื่อตามโฟบอส (ตระหนก/กลัว) และดีมอส (สยอง/น่าขนลุก) ซึ่งเป็นเทพในตำนานกรีก ร่วมไปกับเทพแอรีส เทพเจ้าแห่งสงครามบิดาของพวกเขา ชื่อดาวอังคารว่า "มาร์ส" นั้นคือชื่อเทพแอรีสตามแบบโรมัน[266][267] ในกรีกปัจจุบัน ดาวอังคารยังคงใช้ชื่อตามอย่างโบราณว่า Ares (Aris: Άρης)[268]

จากพื้นผิวดาวอังคาร การเคลื่อนที่ของโฟบอสและดีมอสจะปรากฏให้เห็นแตกต่างออกไปจากดวงจันทร์ โฟบอสจะขึ้นทางทิศตะวันตก ตกทางทิศตะวันออก และกลับมาขึ้นอีกครั้งในเวลาเพียง 11 ชั่วโมง ส่วนดีมอสซึ่งอยู่นอกวงโคจรพ้องคาบพอดี ระยะคาบการโคจรของดาวจึงไม่ตรงพอดีกับคาบการหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์แม่ ดาวจะไม่ลอยค้างฟ้าในตำแหน่งเดิมแต่จะขึ้นตามปกติทางทิศตะวันออกอย่างช้า ๆ แม้ดีมอสจะมีคาบการโคจรราว 30 ชั่วโมง แต่ใช้เวลาถึง 2.7 วันระหว่างการขึ้นจนตกลับฟ้าไปสำหรับผู้สังเกตที่ศูนย์สูตร ซึ่งก็จะลับไปอย่างช้า ๆ คล้อยหลังการหมุนรอบตัวเองของดาวอังคาร[269]

เนื่องจากวงโคจรของโฟบอสต่ำกว่าระดับความสูงพ้องคาบ แรงไทดัลจากดาวอังคารจึงดึงวงโคจรของดาวให้ต่ำลงไปเรื่อย ๆ ทีละน้อย อีกประมาณ 50 ล้านปีข้างหน้า เป็นไปได้ว่าโฟบอสอาจพุ่งเข้าชนกับดาวอังคารหรือไม่ก็แตกสลายออกกลายเป็นโครงสร้างวงแหวนรอบดาวเคราะห์[269]

กำเนิดของดาวบริวารทั้งสองนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก การมีอัตราส่วนสะท้อนต่ำและมีองค์ประกอบแบบหินคอนไดรต์กลุ่มคาร์บอเนเชียสทำให้มีความคล้ายคลึงกับดาวเคราะห์น้อยซึ่งช่วยสนับสนุนทฤษฎีการจับยึด วงโคจรที่ไม่เสถียรของโฟบอสเหมือนจะชี้ให้เห็นว่าเป็นการจับเอาไว้ที่ค่อนข้างใหม่ แต่ทั้งคู่มีวงโคจรที่กลมใกล้กับศูนย์สูตรซึ่งจัดว่าไม่ปกติสำหรับวัตถุที่ถูกจับไว้ได้และยังต้องการพลวัตการยึดจับที่สลับซับซ้อน การจับตัวพอกพูนขึ้นตั้งแต่ช่วงต้นของประวัติศาสตร์ดาวอังคารยังเป็นกรณีที่ถือว่าเป็นไปได้ ถ้าหากว่าจะไม่นับรวมลักษณะองค์ประกอบของทั้งคู่ที่คล้ายคลึงกับดาวเคราะห์น้อยมากกว่าที่จะเหมือนกับดาวอังคารซึ่งยังต้องรอการยืนยัน

ความเป็นไปได้ในรูปแบบที่สามคือการมีวัตถุที่สามเข้ามาเกี่ยวข้องหรือเป็นชนิดหนึ่งของการแตกกระจายออกมาจากการพุ่งชน[270] หลักฐานหลายประการที่ได้มาค่อนข้างใหม่พบว่าโครงสร้างภายในของโฟบอสมีความพรุนสูง[271] และชี้ว่าองค์ประกอบภายในส่วนใหญ่เป็นฟิลโลซิลิเกตและแร่ธาตุอื่น ๆ ที่ทราบว่ามีบนดาวอังคาร[272] ทำให้ประเด็นการกำเนิดของโฟบอสว่ามาจากเศษวัตถุที่กระจายออกมาภายหลังการถูกพุ่งชนของดาวอังคารแล้วได้มารวมกันในวงโคจรรอบดาวแม่นั้นน่าเชื่อถือมากขึ้น[273] คล้ายกันกับทฤษฎีกระแสหลักเรื่องการกำเนิดดวงจันทร์ของโลก อย่างไรก็ตาม ค่าสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้ถึงช่วงใกล้อินฟราเรด (VNIR) ของดาวบริวารทั้งสองของดาวอังคารมีความคล้ายคลึงกับที่วัดได้จากแถบดาวเคราะห์น้อยด้านนอก และมีรายงานว่าสเปกตรัมรังสีอินฟราเรดของโฟบอสไม่สอดคล้องกับคอนไดรต์ไม่ว่าจะกลุ่มใด[272]

ดาวอังคารอาจจะมีดาวบริวารอื่นนอกเหนือจากนี้แต่มีขนาดเล็กด้วยเส้นผ่าศูนย์กลางราว 50 ถึง 100 เมตร และคาดว่ามีวงแหวนฝุ่นอยู่ระหว่างโฟบอสกับดีมอส[19]