Nos anos de 2400, a humanidade começa a terraformar o planeta Marte. Corporações gigantes, patrocinadas pelo Governo Mundial na Terra, iniciam grandes projetos para aumentar a temperatura, o nível de oxigênio e a cobertura do oceano até que o ambiente se torne habitável. Em Terraforming Mars você joga com uma dessas corporações e trabalha em conjunto no processo de terraformação, mas compete para obter pontos de vitória que são concedidos não só pela sua contribuição para a terraformação, mas também pelo avanço da infraestrutura humana ao longo dos sistemas solares, e faz também outras coisas louváveis.

Os jogadores adquirem cartas de projeto únicas (existem mais de 200 diferentes) adicionando-as à sua mão. Os projetos (cartas) podem representar qualquer coisa, desde a introdução de plantas ou animais, arremessar asteroides na superfície, construir cidades para a mineração das luas de Júpiter ou estabelecer indústrias de gás com efeito de estufa para aquecer a atmosfera. As cartas podem lhe dar bônus imediatos, bem como aumentar a sua produção de diferentes recursos. Muitas cartas também têm requerimentos e tornam-se jogáveis quando a temperatura, oxigênio ou a cobertura do oceano atingem um certo nível. Comprar cartas é muito caro, então há um equilíbrio entre a compra dessas cartas (3 mega créditos por carta) e realmente jogá-las (que pode custar qualquer coisa entre 0 e 41 mega créditos, dependendo do projeto).

Há também projetos padrão que estão sempre disponíveis para complementar suas cartas.

Sua renda básica, bem como a sua pontuação básica, são baseadas em sua classificação de terraformação (a partir de 20), que aumenta cada vez que você aumentar um dos parâmetros globais. No entanto, o seu rendimento é complementado com a sua produção e você também terá pontos de vitória de muitas outras fontes.

No tabuleiro de jogo você compete para obter os melhores lugares para seus tiles de cidade, tiles de oceano e tiles de vegetação. Você também compete por diferentes marcos e prêmios no valor de muitos pontos de vitória.

Cada rodada é chamada de geração e consiste nas seguintes fases:
1) mudança de ordem do Jogador
2) Fase de Pesquisa - todos os jogadores adquirem cartas das 4 abertas previamente.
3) Fase de Ação - os jogadores se revezam fazendo 1 ou 2 ações.
Ações: * jogar uma carta, * reivindicar marcos, * financiar prêmios, * usar um projeto padrão, * converter plantas em tiles de vegetação (melhorando assim o oxigênio), * converter calor em um aumento de temperatura, e * usar a ação de uma carta em jogo.
A rodada continua até que todos os jogadores passem (não fazendo ações).
4) Fase de produção - onde você obtém recursos de acordo com sua classificação de terraformação e parâmetros de produção.

Quando o processo de terraformação é completado, o jogo termina depois da "geração", e são contados os pontos de vitória para ver quem ganhou.