木卫四的表面是不对称的：其同轨道方向的一面要暗于逆轨道方向的一面，这与其他伽利略卫星的情况正好相反。此外，其逆轨道方向一面似乎富含二氧化碳，而其同轨道方向一面则含有较多的二氧化硫。

木卫四上许多较年轻的撞击坑都含有较丰富的二氧化碳。总的来说，木卫四表面的物质构成，特别是暗区的物质构成，十分接近于D型小行星，后者的表面由碳基物质构成。

木卫四表面的反照率为0.2。人们推测其表面的物质构成与其整体的物质构成大致相同。利用近红外光谱学，科学家们在1.04、1.25、1.5、2.0和3.0微米波长段发现了强烈的冰体水的吸附带。

冰体在木卫四表面普遍存在，比重在25-50%之间。对伽利略号和地基观测站拍摄的高分辨率近红外光谱和紫外线光谱照片进行分析后，科学家们发现了多种非水溶性物质，如含镁和含铁的水合硅酸盐、二氧化碳、二氧化硫，可能还包括氨和多种有机化合物。

木卫四的内部结构图。木卫四遭受过猛烈轰击的表面之下是一层厚度在80-150公里之间的寒冷、坚硬的冰质岩石圈。

对包围着木星及其卫星的磁场进行的研究表明在木卫四地壳之下50-200公里深处存在着一个咸水海洋：科学家们发现置于木星多变的磁场中的木卫四就像个理想的导电球体，即磁场无法穿透到达该卫星的内核，这意味着在该星体中存在着一层厚度至少达到10公里的高电导率液体。该海洋中可能还含有少量的氨或其他防冻物质，比重达到了5%，从而阻止了海洋的冰冻。在这种情况下，海洋的厚度将达到250-300公里。如果不存在海洋，那么其冰质岩石圈将会更厚，可能厚达300公里。

岩石圈和假定的海洋之下的星体内部可能既不是质地均匀的整体也不是完全的分化型。伽利略号的探测数据（特别是在近距离飞掠中测定的无量纲转动惯量——其数值为0.3549±0.0042）表明其内部由被压缩的岩石和冰体构成，且由于构成成分的部分沉积，随着深度的增加，岩石的比重也逐渐加大。也就是说木卫四的内部结构只是部分分层。在该密度和转动惯量下，星体的中心可能存在着一颗小型硅酸盐内核。这类内核的半径不可能超过600公里，而其密度可能介于3.1-3.gcm3之间。

木卫四表面的地质年龄十分古老，它同时也是太阳系中遭受过最猛烈轰击的天体之一，其撞击坑密度已经接近于饱和：任何新的撞击坑均可能覆盖于旧的撞击坑之上。木卫四上的大型地质构造相对简单：这里没有大型的山脉、火山或其他内源性构造特征。撞击坑和多环结构，以及裂缝、悬崖和沉积地形是该星体表面发现的为数不多的几种大型地质构造。

木卫四表面能够被分成数种不同的地质单元：撞击坑平原、较明亮的平原、明亮而平缓的平原以及由多环机构和撞击坑组成的多类地形单元。撞击坑平原覆盖了木卫四的大部分表面，是古老岩石圈的典型代表，其构成物质为冰体和岩石的混合物。

较明亮的平原中存在着明亮的撞击坑、被称为变余结构的古老撞击坑的残迹和多环结构的中央部分，科学家们猜测这种地形是由冰质撞击坑沉积而成。明亮而平缓的平原覆盖的区域较小，常出现于沃尔哈拉撞击坑和阿斯嘉德撞击坑的山脊和槽沟地带中，撞击坑平原中的孤立斑点地带也属于这种地形。