Nirgal Vallis ist das Überbleibsel eines Flusses, der einst über die Marsoberfläche strömte. Die Form des Haupttals und seiner auffallend kurzen Nebentäler ist, verglichen mit der Morphologie der meisten Flusstäler auf der Erde, außergewöhnlich: Der Talquerschnitt ist markant u-förmig, mit sehr steilen, mehrere hundert Meter hohen Abhängen an den Seiten und einem flachen, breiten Talgrund. Die kurzen Nebentäler haben die für diese Art von Tälern typischen halbrunden oder kesselförmigen Talanfänge, die den kreisrund angelegten Amphitheatern der Römer ähneln und deshalb auch so bezeichnet werden. Beispiele solcher „amphitheather-förmigen“ Flusstäler finden sich auf der Erde in der Atacama-Wüste in Chile, auf dem Colorado-Plateau in den USA und auf den Hawaiianischen Inseln. Bekannte Beispiele auf dem Mars sind neben Nirgal Valles auch Nanedi Valles und das Quellgebiet von Echus Chasma.

Das fast 700 Kilometer lange Nirgal Vallis durchschneidet mit seinen Nebentälern alte vulkanische Ebenen, erkaltete Lavaströme und äolische Ablagerungen. Seine Ost-West-Orientierung folgt einem regionalen Trend tektonischer Strukturen, der auch im nahen Canyonsystem Valles Marineris beobachtet werden kann. Der flache Talboden von Nirgal Vallis ist weitgehend mit transversalen Rippeln (zu erkennen an kleinen, parallelen Linien) bedeckt, die eine vorherrschende Windrichtung entlang des Talverlaufs anzeigen.

Die hier präsentierten Aufnahmen umfassen den ungefähr 200 Meter tiefen und bis zu 2 Kilometer breiten Oberlauf von Nirgal Vallis. Das Tal mündet 400 Kilometer weiter östlich in das wesentlich größere Uzboi Valles, das vermutlich zeitweise einen See beherbergte. Wissenschaftler haben berechnet, dass der Fluss, der einst durch Nirgal Vallis floss, bis zu 4800 Kubikmeter Wasser pro Sekunde in das Uzboi Vallis entwässerte: Das ist mehr als doppelt so viel Wasser, als durch den Rhein bis in die Nordsee strömt.

Nirgal Vallis ähnelt Tälern auf der Erde, die durch rückschreitende Erosion infolge von aussickerndem Grundwasser gebildet wurden. Das Fehlen baumartig verzweigter Seitentäler, die das Haupttal speisen, deutet ebenfalls darauf hin. Eine solch lineare Talstruktur ist eher ein Anzeichen dafür, dass die Erosion des Tals nicht durch Niederschlag und Oberflächenabfluss verursacht worden ist.

Mithilfe analoger Laborexperimente konnten Forscher nachweisen, dass eine Bildung von Tälern wie Nirgal Vallis durch aussickerndes Grundwasser auf dem Mars möglich ist. Ein stetiger Sickerwasseraustritt kurz unter der Oberfläche führt zu einer Unterspülung der ohnehin steilen Talanfänge und schließlich zum Einstürzen der Wände.