天文学家们通过哈勃望远镜观察，揭示出木卫二有一个含氧的稀薄大气层，但木卫二的氧不像地球上大气的氧一样。科学家们推测，它可能是由于太阳光中的电荷粒子撞击木卫二的冰质表面而产生水蒸气，然后分成氢气和氧气，氢气脱离，留下了氧气。
科学家们经过研究发现，木卫二与木卫一的组成与类地行星相似，主要由硅酸盐岩石组成。但是，与木卫一不同的是，木卫二的外层分布着厚度达100千米的冰层，由于其存在内部能量源，冰下深处或拥有液态水世界。该天体的表面非常“光滑”，撞击坑数量较少。这也暗示了它的表面是相当“年轻”和“活跃”的。基于对木卫二可能经受的彗星撞击频度的估算，它的“表面”年龄大概在2000万到1.8亿年之间。
科学家们推测木卫二里面存在着冰火山。但是，木卫二的质量太小，以至于木星的其他卫星的引力严重地影响到它。在木星和木星的其他卫星的引力牵引下，在木卫二上出现了潮汐摩擦力，使木卫二升温，从而使冰和液态水从木卫二表面喷发，场面非常壮观，就像地球上的火山那样，只不过木卫二上的冰火山喷发的是冰和液态水。
科学家们收到了宇宙探测器“旅行者2号”发回的照片，发现木卫二是一个宁静的世界。它的地势非常平坦，最高的丘陵才50米。它的表面覆盖着一层晶莹剔透的冰层。通过研究推测，科学家们认为木卫二有一个带冰壳的固体核心，而且在冰壳和核心之间可能有一层液态水。正是因为这样的构造，形成了木卫二平坦的地形，并使它承受了陨石以及小行星的撞击而不变形。
天文学家史蒂文森等人计算了木卫二的热耗散，证实在核心和冰壳之间确实存在一个液态水层。他们通过几种不同模式的实验，得出了木卫二在25千米深的冰层下存在着一个地下海洋的结论。
而美国航宇局“伽利略号”木星探测器最新发回的图像也表明，木卫二上有大量的液态水，它表面上的冰幔只有1-2千米厚，并有内部火山热源存在。这是迄今为止关于某个地外天体上有液态水存在的最强有力的证据，也增大了人们搜寻到地外生命的可能性。
“伽利略号”木星探测器在离木卫二仅586千米处飞过时拍摄的照片显示，似乎有一些冰山漂浮在被冰覆盖的海面上。这些冰山最大的有13千米宽，可以明显地看出是从带沟槽的地带上断裂下来的。
美国航宇局还发现在木卫二的冰层下方存在一个巨大的咸水湖泊，其水量大致相当于北美地区著名的五大湖的水量总和。
2009年11月，美国亚利桑那大学科学家理查德-格林博格等人经过研究发现，木卫二上可能存在一种类似于鱼类的生命。美国深海生态学家蒂莫西•尚克坚持认为，木卫二的海底环境与地球海洋底部的“热液出口”具有极大的相似性。他曾对大家说：“如果木卫二上没有生命，那才是奇怪的事。”
