木卫一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孑然不同，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。
木卫一的多种地形：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，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赋予多样化。
木卫一表面的最热点温度可达700K，虽然它的平均温度只有大约130K。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。