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。[光谱分析的数据表明即使在很小的区域内，该星体表面的物质构成也极度混杂。由冰体构成的小面积、明亮斑块与由岩石、冰体混合物构成的斑块相混杂，而广大的暗区则由非冰物质构成。
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.g/cm³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
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