В 2400-х человечество начинает терраформировать планету Марс. Гигантские корпорации, созданные по инициативе Всемирного правительства на Земле, инициируют масштабные проекты, чтобы поднять температуру, уровень кислорода и покрыть океанами планету Марс до условий, пригодных для жизни. В Terraforming Mars вы играете за одну из этих корпораций и работаете вместе в процессе терраформирования, но конкурируете за получение победных очков, которыми награждаетесь не только за вклад в терраформинг, но и за развитие человеческой инфраструктуры во всей Солнечной системе.

Игроки приобретают уникальные карты проектов (существует более 200 различных видов). Проекты (карточки) могут представлять что-нибудь от внедрения растительной или животной жизни, спуска астероидов на поверхность и строительства городов до добычи полезных ископаемых на спутниках Юпитера и развития отрасли по производству парниковых газов для нагрева атмосферы. Карты могут дать вам немедленные бонусы, а также увеличение вашего производства различных ресурсов. Многие карты также имеют условия применения, они становятся доступными, когда температура, кислород или покрытие поверхности океаном достигают определённого уровня. Когда процесс терраформинга завершён, игра заканчивается, и вы считаете свои победные очки, чтобы увидеть, кто победил.