在早期，木卫四内部亚固态对流机制的运作阻止了冰体的大面积融化，而后者则会导致星体内部的分化，从而形成一个大型的岩石内核和冰质地幔。同时也由于对流作用的存在，冰体和岩石的部分分化持续了数十亿年之久，至今仍在缓慢进行中。

现今解释木卫四形成的观点考虑到了在其表面之下可能存在着一个地下海洋，其形成与冰体的第一晶相的熔点异常有关——其熔点随着压力的增大而降低，当压力达到2070巴时，熔点可低至251K。

在所有的木卫四现实模型中，位于100-200公里深处地层的温度都十分接近，甚至是略微超过了这个异常的熔点。而少量氨——比重约为1-2%——的存在则能够加大该深度液体存在的可能性，因为氨能够进一步降低冰体熔点。

尽管在很多方面木卫四和木卫三十分相似，但是前者的地质历史相对简单。在撞击事件和其他外力影响作用之前，该星体的表面即已基本成型。与拥有槽沟构造的邻近卫星木卫三相比，木卫四上甚少发现地质构造活动的迹象。

这种相对简单的地质历史对于行星科学家来说意义十分重大，他们可将该星体作为一个很好的基本参考对象，用来对比其他更加复杂的星体。

20世纪70年代，先驱者10号和先驱者11号先后接近木星，获取了少量关于木卫四的新信息。真正的突破来自1979-1980年间旅行者1号和旅行者2号的考察，以及之后几百年里人类对木星的实地考察。

当年它们对木卫四一半以上的表面进行了拍摄，图像分辨率在1-2公里之间，同时还精确地测量了木卫四的表面温度、质量和大小。第二波的考察在1994年至2003年间展开，其时伽利略号8次近距离飞掠木卫四，最后一次飞掠发生在2001年，当时伽利略号位于C30轨道上，距离木卫四表面仅138公里。伽利略号完成了对木卫四表面的全球测绘，并传回了大量分辨率达到15米的特定地区的照片。

2000年，卡西尼号在前往土星途中对包括木卫四在内的四颗伽利略卫星进行了高精度红外光谱探测。2007年2月至3月，新视野号探测器在前往冥王星途中经过木卫四，对其进行了拍摄和光谱分析。

这些至关重要的进步让人类对待今天的太阳系也多少有了些自己的见识和基础。