Ảnh màu giả Phobos được chụp bởi Tàu quỹ đạo Trinh sát Sao Hỏa. Stickney, hố lớn nhất trên Phobos, ở bên phải.

Phobos là vệ tinh lớn hơn trong hai vệ tinh tự nhiên của Sao Hỏa. Dù vậy nó là một thiên thể nhỏ với kích cỡ khoảng 26 × 23 × 18 km, đường kính trung bình 22 km. Khối lượng của Phobos vào cỡ 1,07×10¹⁶ kg, quá nhẹ nên trọng lực không thể biến nó thành hình cầu. Vì kích cỡ nhỏ và hình dạng không đều, trường hấp dẫn của Phobos yếu và không đồng nhất với tốc độ thoát khỏi bề mặt dao động lớn từ 4 đến 10 m/s. Vệ tinh này có bề mặt rất nhấp nhô với nhiều hố; nó đã bị hàng ngàn vẫn thạch bắn phá và từng gần như vỡ tan bởi một vụ va chạm khổng lồ. Trong đó hố nổi bật nhất là Stickney được đặt theo tên vợ của Asaph Hall, người phát hiện ra Phobos tại Đài thiên văn Hải quân Mỹ ở Washington, DC vào tháng 8 năm 1877.

Quỹ đạo của Phobos là gần tròn, đồng phẳng xích đạo; nó quay một vòng quanh Sao Hỏa mất 7 giờ 39 phút ở khoảng cách rất gần chỉ 5.989 km tính đến bề mặt hành tinh. Cứ mỗi năm Phobos lại tiến gần Sao Hỏa 1,8 cm và như vậy thì trong khoảng 50−100 triệu năm tới nó sẽ đâm vào Sao Hỏa hoặc vỡ vụn thành một đai vật chất bao quanh. Tốc độ quỹ đạo của Phobos nhanh gấp 3 lần tốc độ tự quay của Sao Hỏa, do đó người quan sát trên Sao Hỏa sẽ thấy Phobos mọc ở đằng tây và lặn đằng đông, điều bất thường trong số các vệ tinh.

Diện mạo của Phobos rất tối với suất phản chiếu bề mặt không quá vài phần trăm và quang phổ của nó giống tiểu hành tinh loại D. Tuy nhiên khối lượng riêng của nó gần với tiểu hành tinh loại C, dạng chondrit carbon đen. Nhiệt độ ở hai nửa sáng tối của Phobos chênh lệch lớn, cao đến −4 °C và thấp đến −112 °C. Sự thất thoát nhiệt nhiều có thể do bụi mịn trên bề mặt không lưu giữ được nhiệt.