讓華楓驚奇的是潮汐熱能在兩種地形中均可見到，但是在暗區中分佈的更爲密集：這一區域遭遇過大規模的隕石轟擊，因而撞擊坑的分佈呈飽和狀態。
較爲明亮的槽溝地形區分佈的撞擊坑則較少，在這裡由於構造變形而發育起來的地形成爲了主要地質特徵。
撞擊坑的密度表明暗區的地質年齡達到了40億年，接近於月球上的高地地形的地質年齡；而槽溝地形則稍微年輕一些（但是無法確定其確切年齡）。和月球類似，在35-40億年之前，木衛三經歷過一個隕石猛烈轟擊的時期如果這種情況屬實，那麼這個時期在太陽系內曾經發生了大規模的轟擊事件，而這個時期之後轟擊率又大爲降低在亮區中，既有撞擊坑覆蓋於槽溝之上的情況，也有槽溝切割撞擊坑的情況，這說明其中的部分槽溝地質年齡也十分古老。
木衛三上也存在相對年輕的撞擊坑，其向外發散的輻射線還清晰可見。木衛三的撞擊坑深度不及月球和水星上的，這可能是由於木衛三的冰質地層質地薄弱，會發生位移，從而能夠轉移一部分的撞擊力量許多地質年代久遠的撞擊坑的坑體結構已經消失不見，只留下一種被稱爲變餘結構（英語：palimpsest）的殘跡
木衛三的顯著特徵包括一個被稱爲伽利略區的較暗平原，這個區域內的槽溝呈同心環分佈，可能是在一個地質活動時期內形成的。另外一個顯著特徵則是木衛三的兩個極冠，其構成成分可能是霜體。這層霜體延伸至緯度爲40°的地區。旅行者號首次發現了木衛三的極冠。目前有兩種解釋極冠形成的理論，一種認爲是高緯度的冰體擴散所致，另一種認爲是外空間的等離子態冰體轟擊所產生的。伽利略號的觀測結果更傾向於後一種理論，
1972年，一支在印度尼西亞的波斯查天文臺工作的印度、英國和美國天文學家聯合團隊宣稱他們在一次掩星現象中探測到了木衛三的大氣，當時木星正從一顆恆星之前通過。他們估計其大氣壓約爲1微巴（0.1帕）。
1979年旅行者1號在飛掠過木星之時，藉助當時的一次掩星現象進行了類似的觀測，但是得到了不同的結果。旅行者1號的掩星觀測法使用短於200納米波長的遠紫外線光譜進行觀測，這比之1972年的可見光譜觀測法，在測定氣體存在與否方面要精確得多。
旅行者1號的觀測數據表明木衛三上並不存在大氣，其表面的微粒數量密度最高只有1.5 × 10?cm3，對應的壓力小於2.5 × 10?微巴。後一個數據較之1972年的數據要小了5個數量級，說明早期的估計太過於樂觀了，
木衛三表面的假色溫度圖不過1995年哈勃空間望遠鏡發現了木衛三上存在稀薄的、以氧爲主要成分的大氣，這點類似於木衛二的大氣。哈勃望遠鏡在130.4納米到135.6納米段的遠紫外線光譜區探測到了原子氧的大氣光。
這種大氣光是分子氧遭受電子轟擊而離解時所發出的，這表明木衛三上存在著以O?分子爲主的中性大氣。其表面微粒數量密度在 1.2-7 × 10?cm3範圍之間，相應的表面壓力爲0.2-1.2 × 10?微巴。這些數值在旅行者號1981年探測的數值上限之內。這種微量級的氧氣濃度不足以維持生命存在；其來源可能是木衛三表面的冰體在輻射作用下分解爲氫氣和氧氣的過程，其中氫氣由於其原子量較低，很快就逃逸出木衛三了。
木衛三上觀測到的大氣光並不像木衛二上的同類現象一般在空間分佈上呈現均一性。哈勃望遠鏡在木衛三的南北半球發現了數個亮點，其中兩個都處於緯度50°地區——即木衛三磁圈的擴散場線和聚集場線的交界處。同時也有人認爲亮點可能是等離子體在下落過程中切割擴散場線所形成的極光。
中性大氣層的存在著木衛三上也應該存在電離層，因爲氧分子是在遭受來自磁圈和太陽遠紫外輻射的高能電子轟擊之後而電離的。但是和大氣層一樣，木衛三電離層的性質也引發了爭議。伽利略號的部分觀測發現在木衛三表面的電子密度較高，表明其存在電離層，但是其他觀測則毫無所獲。通過各種觀測所測定的木衛三表面的電子密度處於400-2,500 cm3範圍之間。及至2008年，木衛三電離層的各項參數仍未被精確確定。
證明木衛三含氧大氣存在的另一種方法是對藏於木衛三表層冰體中的氣體進行測量。1996年，科學家們公佈了針對臭氧的測量結果。1997年，光譜分析揭示了分子氧的二聚體（或雙原子分子）吸收功能，即當氧分子處於濃相狀態時，就會出現這種吸收功能，而如果分子氧藏於冰體之中，則吸收功能最佳。
二聚體的吸收光譜位置更多的取決於緯度和經度，而非表面的反照率——隨著緯度的提高，吸收光譜的位置就會上移。而相反的，隨著緯度的提高臭氧的吸收光譜則會下移。實驗室的模擬試驗表明，在木衛三上表面溫度高於100K的地區，O?並不會聚合在一起，而是擴散至冰體中。
當在木衛二上發現了鈉元素之後，科學家們便開始在木衛三的大氣中尋找這種物質，但是到了1997年都一無所獲。據估計，鈉在木衛三上的豐度比木衛二小13倍，這可能是因爲其表面原本就缺乏該物質或磁圈將這類高能原子擋開了。木衛三大氣層中存在的另一種微量成分是原子氫，在距該衛星表面3000千米的太空即已能觀測到氫原子的存在。其在星體表面的數量密度約爲1.5 × 10?cm3。
1995年至2000年間，伽利略號共6次近距離飛掠過木衛三，發現該衛星有一個獨立於木星磁場之外的、長期存在的、其本身所固有的磁矩，其大小估計爲1.3 × 1013T·m3，比水星的磁矩大三倍。其磁偶極子與木衛三自轉軸的交角爲176°，這意味著其磁極正對著木星磁場。磁層的北磁極位於軌道平面之下。
由這個長期磁矩創造的偶極磁場在木衛三赤道地區的強度爲719±2納特斯拉，超過了此處的木星磁場強度——後者爲120納特斯拉。木衛三赤道地區的磁場正對著木星磁場，這使其場線有可能重新聚合。而其南北極地區的磁場強度則是赤道地區的兩倍爲1440納特斯拉，
長期存在的磁矩在木衛三四周劃出一個空間，形成了一個嵌入木星磁場的小型磁層。木衛三是太陽系中已知的唯一一顆擁有磁層的衛星。其磁層直徑達4-5RG (RG=2,631.2千米)。在木衛三上緯度低於30°的地區，其磁層的場線是閉合的，在這個區域，帶電粒子（如電子和離子）均被捕獲，進而形成輻射帶。
磁層中所含的主要離子爲單個的離子化的氧原子——O+——這點與木衛三含氧大氣層的特徵相吻合。而在緯度高於30°的極冠地區場線則向外擴散，連接著木衛三和木星的電離層。在這些地區已經發現了高能（高達數十甚至數百千伏）的電子和離子，可能由此而形成了木衛三極地地區的極光現象。另外，在極地地區不斷下落的重離子則發生了濺射運動最終使木衛三表面的冰體變暗。
木衛三磁層和木星磁場的相互影響與太陽風和地球磁場的相互作用在很多方面十分類似。如繞木星旋轉的等離子體對木衛三逆軌道方向磁層的轟擊就非常像太陽風對地球磁場的轟擊。主要的不同之處是等離子體流的速度——在地球上爲超音速，而在木衛三上爲亞音速。由於其等離子體流速度爲亞音速，所以在木衛三逆軌道方向一面的磁場並未形成弓形激波。
除了其本身固有的磁層外，木衛三還擁有一個感應產生的偶極磁場，其存在與木衛三附近木星磁場強度的變化有關。該感應磁場隨著木衛三本身固有磁層方向的變化，交替呈放射狀面向木星或背向木星該磁場的強度較之木衛三本身之磁場弱了一個數量級——前者磁赤道地區的場強爲60納特斯拉，只及木星此處場強的一半。
木衛三的感應磁場和木衛四的以及木衛二的感應磁場十分相似，這表明該衛星可能也擁有一個高電導率的地下海洋。由於木衛三的內部結構已經是徹底的分化型，且擁有一顆金屬內核，所以其本身固有的磁層的產生方式可能與地球磁場的產生方式類似：即是內核物質運動的結果。如果磁場是基於發電機原理的產物那麼木衛三的磁層就可能是由其內核的成分對流運動所造成的。
儘管已知木衛三擁有一個鐵質內核，但是其磁層仍然顯得很神秘，特別是爲何其他與之大小相同的衛星都不擁有磁層。一些研究認爲在木衛三這種相對較小的體積下，其內核應該早已被充分冷卻以致內核的流動和磁場的產生都無以爲繼。
一種解釋聲稱能夠引起星體表面構造變形的軌道共振也能夠起到維持磁層的作用：即木衛三的軌道離心率和潮汐熱作用由於某些軌道共振作用而出現增益，同時其地幔也起到了絕緣內核，阻止其冷卻的作用另一種解釋認爲是地幔中的硅酸鹽巖石中殘留的磁性造成了這種磁層。如果該衛星在過去曾經擁有基於發電機原理產生的強大磁場，那麼該理論就很有可能行得通。