木卫一有稀薄的大气，由二氧化硫与其他气体组成。与外层太阳系的卫星不同，木卫一与木卫二的组成与类地行星类似，主要由炽热的硅酸盐岩石构成。其表面也与太阳系中其他星体截然不同，这使得科学家在第一次接触旅行者号发回的数据时非常惊奇。他们原以为在类地星体上应布满了受撞击后留下的大大小小的环形山，然后以单位面积内留下的“弹坑”来估计星球外壳的年龄。但实际上木卫一的表面环形山极少，简直屈指可数。这样看来，其表面非常年轻。
最重要的发现则在于旅行者号发现的数百个火山口，而其中一些仍然活跃。羽毛状的喷出物高达300千米，据科学家分析，是以硫或二氧化硫的形式喷出的。这可能是旅行者号任务中最重要的单一发现，这是类地星体内部炽热与活动的第一份实际证明。木卫一表面的最热点温度可达700开，虽然它的平均温度只有大约130开。这些热点是木卫一损失其热量的主要原因。不像其他伽利略发现的卫星，木卫一几乎没有水。这可能由于在太阳系进化过程的初期，木星太热，把木卫一较易挥发的物质都蒸发掉了。 木卫一有令人惊异的多种地形：有向下有数千米深的火山口，有炽热的硫湖，有很明显不过的非火山的连绵山脉，流淌着数百千米长的粘稠的液体（硫的某种形式？），还有一些火山喷口。硫和其化合物的多种颜色使得木卫一表面的颜色多样化。 对旅行者号的图片分析使得科学家确信木卫一表面的熔岩流大多由炽热的硫的化合物组成。然而，接下去的基于地表的研究表明对那里温度过高，不会有液态硫。一个当前的说法是，木卫一的熔岩流是由炽热的硅酸盐岩石组成的。最近的哈勃望远镜的观察表明那些物质中可能富含钠，或者说那里不同的地方物质有着不同的组成成份。 它所有活动所需要的能量可能来自与它与木卫二，木卫三及木星之间的交互引潮力。这三颗卫星的共动关系固定，木卫一的公转周期是木卫二的两倍，后者是木卫三的两倍。虽然木卫一就像地球的卫星月球一般，只用固定的一面朝向其主星，由于木卫二与木卫三的作用使它有一点点不稳定。它使木卫一扭动、弯曲，大约有100米长，并在复原扭曲的循环中产生能量。 木卫一同样切割木星的磁场线，生成电流。对于引潮力而言由此产生的能量不多，但电流的功率仍有1兆瓦特。它也剥去了一些木卫一的物质，并在木星周围产生强烈的凸起状辐射。在凸出面中脱离的粒子部分地造成了木星的巨大磁层。
