木卫二的表面温度在赤道地区平均为110K（-163℃），两极更低，只有50K(-223℃)，所以表面的水是永久冻结的。但是潮汐力所提供的热能可能会使表面冰层以下的水保持液态。这个猜想最初由针对潮汐热的一系列推测所引发。

据推测木卫二的地形特征意味着冰下海洋的存在。有学者将木卫二表面极富特色的混乱地带解释为下层海水渗出地表而造成。但是这一解释争议极大，多数对木卫二进行研究的地质学家更倾向于支持一个被称作“厚冰”模型的理论，他们认为即便存在这样的海洋，也几乎不可能对表面造成直接的影响。对冰壳厚度的估算也存在相当大的分歧，有认为是几千米的，也有认为是数十千米的。

如果身处木星的卫星木卫二，可以看到高达200千米的壮观喷泉。这可能是木卫二冰冻表面下隐藏着一个巨大海洋的最好证据。美国和德国研究人员2013年12月12日在《科学》杂志上报告说，他们利用哈勃太空望远镜于2012年11月和12月以及1999年所拍摄的图像，确定在木卫二南半球的两个不同区域有着过多的氢和氧，而解释只有一个，那就是这些氢和氧是从木卫二喷射出来的水被电解而来。

木卫二上的喷泉间歇性地喷发，每次喷发时间约7小时。由于这种现象在木卫二距离木星最远处出现，在最接近木星时消失，研究人员推测，木星对木卫二的潮汐引力发挥了重要作用，它可能导致木卫二表面冰层在最远点时出现裂缝，而喷泉就从这些裂缝中喷射而出，当到达木星近点，这些裂缝则逐渐闭合。

喷泉的出现说明木卫二冰冻表层的部分区域可能很容易被内部的海洋“突破”，而这对将来探索木卫二是否宜居具有重要意义。因为这种间歇性的喷泉会将木卫二表面和深层的物质喷向高空，将来研究木卫二成分就无需在冰层上钻孔。

张晓辰了解到木卫二上的喷泉可能类似于土星的卫星土卫二上的喷泉，土卫二上的喷泉是从非常狭窄的裂隙中逃逸出的高压水汽排放所致。不过木卫二上的重力比土卫二大12倍，因而木卫二的喷泉不会像土卫二那样大部分逃逸到太空中，而是喷发到201千米的高度时落回木卫二表面。

长久以来，许多科学家认为木卫二是太阳系中除地球外最有可能存在生命的星球，这是因为在木卫二表面冰层下隐藏着一个巨大海洋，而有液态水就有可能存在生命。美国航天局2013年12月11日还宣布，在木卫二表面首次发现了黏土型矿物，这意味着木卫二可能存在对形成生命至关重要的有机物。

木卫二表面为数不多的几个大形的撞击坑就是支持“厚冰”模型的最佳证据。最大的一个撞击坑被若干同心圆圈所环绕，坑内被新鲜的冰填充得相当平整。以此为基础再结合对潮汐力所生成的热能的估算，所推测出冰壳厚度在10到30千米之间，这就意味着冰下的海洋可能深达100千米。

伽利略号轨道飞行器还观测到，木卫二在通过木星巨大的磁场时自身会产生一个强度呈周期性变化的弱磁场（其强度与木卫四接近，约为木卫三磁场的四分之一）。有猜测认为，冰下咸水海洋中的极性离子是该磁场的成因。

另有光谱分析的证据表明，木卫二表面裂痕中微显淡红色的物质有可能是从冰下渗出的海水挥发后沉积下来的盐（比如硫酸镁），硫化氢也是这一现象的一个合理的解释。但是，由于这两种物质的纯净物都是无色或白色的，别的一些物质也被用于解释淡红色的成因，比如含有硫磺的混合物等。

木卫二上的喷泉可能类似于土星的卫星土卫二上的喷泉，土卫二上的喷泉是从非常狭窄的裂隙中逃逸出的高压水汽排放所致。不过木卫二上的重力比土卫二大12倍，因而木卫二的喷泉不会像土卫二那样大部分逃逸到太空中，而是喷发到201千米的高度时落回木卫二表面。