Le livre se compose de vingt-six récits datés, rangés dans l'ordre chronologique, de janvier 1999 à octobre 2026 dans la version de 1950. Il s'organise en trois mouvements : les premières expéditions, où Terriens et Martiens se rencontrent, avec l'épidémie de varicelle qui décime les Martiens ; la colonisation, entre villes nouvelles et nostalgie de la Terre, qui s'achève par le rappel des colons après une guerre atomique ; enfin les derniers survivants. Des vignettes brèves, sans personnage récurrent, alternent avec des nouvelles plus développées. Le fil conducteur est l'histoire collective plutôt qu'un héros, ce qui donne un récit fait de variations sur quelques thèmes : la peur de l'autre, l'oubli, la solitude.
À sa parution, le livre bénéficie d'un accueil exceptionnel pour un ouvrage de science-fiction, y compris hors du genre. Christopher Isherwood y voit un talent « réellement original » et le compare à Poe ; Anthony Boucher et J. Francis McComas parlent d'une interprétation poétique de l'histoire future. Plus de trois millions d'exemplaires étaient vendus en 1979, selon les sources américaines. En France, il est classé parmi les grands livres de science-fiction, dont La Bibliothèque idéale de la SF (1988). Une mini-série télévisée de Michael Anderson en est tirée en 1980.
Chroniques martiennes est devenu le livre qui prouve que la science-fiction peut faire œuvre littéraire sans abandonner son imaginaire. Sa Mars, éloignée de la planète réelle, est un lieu de projection : on y retrouve la ruée vers l'Ouest, la destruction des cultures indigènes, la crainte d'une guerre nucléaire. Les récits, courts et autonomes, se lisent isolément, ce qui rend le livre abordable par morceaux.