华枫明白与不少外太阳系的卫星不同，木卫一与类地行星有不少相似的地方，其表层由硅酸盐熔岩所构成，根据伽利略号所观测的数据中，它的内核可能由硫化铁所组成，其半径估计最少有900公里。
人们以前一直认为，木卫一表面定拥有不少环形山。可是从旅行者1号于1979年传回地球的照片中，木卫一表面的环形山并不多，并非如人们所想，这是因为其火山活动使它的地形不断改变。
于是，人们便把它不断更新的表面看成是“年轻”的，因为这些地形是新近形成；相反，月球表面满布陨石坑，并保留了数十亿年，人们便把月球的表面看成是“年老”的。
除了火山外，木卫一其他的景观，仅有一些普通的山脉、溶化硫湖泊、深度达数百公里的破火山口，以及长达数百公里的低黏度液体在流动，可能是液态硫或是硅酸盐。此外，木卫一的硫磺及其化合物拥有多种不同的颜色，形成了它独特多变的外观。
科学家从两艘旅行者号传回的多张照片作出分析，相信木卫一表面的熔岩流，主要由融化了的硫化物所组成。
但是从地面的红外线研究结果中，测得木卫一热点的温度可高达2000K，比硫的沸点还要高出1300K，因此有指这些熔岩不太可能是硫，木卫一的整体平均温度为130K ，比热点温度低得多，而最新的理论也指出那些熔岩流是由硅酸盐组成。根据哈勃太空望远镜的观测结果，这些物质可能富含金属元素钠，在不同地方也可能含有不同的物质。
木卫一大气层极端稀薄，只有地球大气压力的十亿分之一，主要的成分是二氧化硫， 氯化钠、一氧化硫及氧也有少许 。
其他伽利略卫星均拥有固态水，木卫一所含的水却极少，人们认为是早期的木星温度很高，其热力可以蒸发木卫一上的水，但其他大型卫星的水则不足以蒸发。
它所有活动所需要的能量可能来自于它与木卫二、木卫三及木星之间的交互引
潮力。这三颗卫星的共动关系固定，木卫一的公转周期是木卫二的一半，后者是木卫三的一半。虽然木卫一就像地球的卫星月球一般，只用固定的一面朝向其主星，由于木卫二与木卫三的作用使它有一点点不稳定。它使木卫一扭动、弯曲，大约有100米长，并在复原扭曲的循环中产生能量。
木卫一同样切割木星的磁场线，生成电流。对于引潮力而言由此产生的能量不多，但电流的功率仍有1兆瓦特。它也剥去了一些木卫一的物质，并在木星周围产生强烈的凸起状辐射。在凸出面中脱离的粒子部分地造成了木星的巨大磁层。
艾奥比地球的卫星月球略大一些，它的平均半径是1,821.3公里（比月球大约5%），质量是8.9319×10公斤（大约比月球多21%）。它的形状略为椭球，而它最长的轴是指向木星的。在伽利略卫星中，艾奥的质量和体积都比盖尼米德和卡里斯托小，但比欧罗巴大。
主要由硅酸盐岩石和铁组成，艾奥在外太阳系的卫星中比其他的卫星都更接近类地行星的结构主体，其它的主要由碎冰和硅酸盐混合组成。艾奥的密度为3.5275 g/cm是太阳系的卫星中密度最高的；明显的比其他的伽利略卫星高，也比地球的月球要高。
根据旅行者号和伽利略号测量的卫星质量、半径和四极引力系数（关于质量在内部如何分布的数值）建立的模型，建议它的内部和外部之间是有所不同的，富含硅酸盐的外壳和内部的地幔，铁或硫化铁－富含在核心，金属核心的质量大约占了艾奥质量的20%。依据核心中硫的含量，如果完全由铁组成，核心的半径在350至650公里（220至400英里）之间；如果由铁和硫混和组成，核心的半径则在550至900公里（310至560英里）。伽利略号的磁强计没有测出艾奥内部的磁场，所以认为核心没有对流。
模型也建议艾奥内部的组成，地幔至少有75%由富含镁的矿物橄榄石组成，并且有大量类似于L球粒陨石和LL球粒陨石的陨石，并且有更高的铁含量（相较于地球的卫星月球的硅，但仍比火星低）要维持在艾奥上观察到的热流，10-20%的地幔也许是溶解的，但观察到高温的火山作用地区，也许有更高的被熔解比例。由于广泛的火山作用，艾奥的岩石圈主要由硫磺和玄武岩组成，它的厚度至少有12公里（7英里），但不会超过40公里（25英里） 。
不同于地球和月球，艾奥内部的热源主要来自潮汐散逸而不是放射性同位素的衰变，这是艾奥的轨道与欧罗巴和盖尼米德共振的结果。这样的热化与木星和艾奥的距离、轨道的离心率、它的内部构造和物理状态有关。它和欧罗巴与盖尼米德的拉普拉斯共振，维系了艾奥的离心率并且防止了它因潮汐散逸而使轨道变圆。
轨道共振也帮助艾奥维持到木星的距离，否则木星涌起的潮汐将导致艾奥的轨道成螺旋形的逐渐由外向内的朝母行星接近。艾奥的潮汐隆起在轨道上的近木点和远木点的时刻之间有着100米（330英尺）的垂直变化。
由于这种潮汐拉扯在艾奥的内部产生了摩擦或是潮汐散逸，如果没有轨道共振，这些将使得艾奥的轨道变得更圆；在艾奥的内部创造更大的潮汐加热，使这颗卫星内部更多的地幔和核心被熔化。如此产生的能量大于放射性衰变的200倍，这些热量以火山活动的形式被释放出来，造成在观测上看见的高热流（全球总量：0.6 至1.6×10瓦）。它的轨道模型认为艾奥内部的潮汐加热会随着时间而改变，并且目前的热流也不是长时间平均的代表。
基于他们对月球、火星和水星等古老表面的经验，科学家预期在旅行者1号传回的第地一张艾奥的影像上将看见许多的撞击坑。横跨在表面的撞击坑密度可以提供艾奥的年龄，但是，他们很惊讶的发现在表面几乎全无撞击坑，取而代之的是光滑的平原，和在表面有着各式各样大小的火山口和火山的熔岩流。
与是各地地被观测过的点来比较，艾奥的表面有着五颜六色的来自不同的硫磺组成的材料（比较起来艾奥的前导半球有着腐败的橘子或是披萨的颜色）。缺乏撞击坑表示艾奥的表面是很年轻的，像是地球的表面；火山口被它们制造的连绵不绝的火山物质掩埋掉。在旅行者1号短暂的观察下，证实了这个壮观的情景，至少有9座活火山存在着。
艾奥五颜六色的表面是它广泛的火山作用导致各种各样材料的结果，这些材料包含硅酸盐（例如直辉石类）、硫磺和二氧化硫二氧化硫的霜横跨并普遍的存在于艾奥表面，形成白色或灰色材料组成的广大区域。散布在中纬度和极区的硫磺，经常受到辐射的破坏，造成稳定的8链硫磺被破坏。这种辐射的破坏使得艾奥的极区呈现红褐色。
爆发的火山，经常产生伞形的流束，将表面涂装上硫磺和硅酸盐的材料。流束在艾奥表面的沉积物会依据流束内硫磺和二氧化硫数量的不同而呈现白色或红色。通常，从包含大量S2的火山形成的流束，会导致红色的扇形沉积，或是在极端的例子中，形成大的（高度达到450公里（280英里）的主要事例中）红色环。
一个流束形成红色圆环沉积的明显例子是裴蕾火山，这个红色的沉积主要是硫磺（通常是3或4链的硫磺分子）、二氧化硫、或者还有Cl2SO2。形成在硅酸盐熔岩边缘的流束（通过熔岩和先前已经沉积的硫磺和二氧化硫）会造成灰色或白色的沉积。
由艾奥的结构图和高密度，认为艾奥没有或是只有少量的水，虽然侦测到含冰屑或含水矿物的小矿穴，最著名的是在季禧霸山（Gish Bar Mons）的西北侧。水的缺乏可以归咎于木星在早期有足够的热，在太阳系的演化过程中将在艾奥附近的挥发性物质，像水，都蒸发掉了，但热不足以影响更远处的地方。
由艾奥的轨道离心率引发的潮汐热迫使这颗卫星成为太阳系中火山最活跃的天体，有数百座火山中心和四处流窜的熔岩流。当发生主要的喷发时，主要成分是玄武岩的硅酸盐与富含铁镁质或超铁镁质岩石的熔岩流长度十倍于平时，可以长达数百公里。
做为这些活动的副产品，硫磺、二氧化流和硅酸盐碎屑等物质（像是灰烬），可以被吹送到500公里（310英里）的高空中，形成巨大的扇形流束，为周围的地型提供了红色、黑色和白色等采绘的材料，并且提供了广泛的材料补充艾奥大气层和木星广大磁层的物质。
艾奥的表面有许多由沉积物构成，被称为火山口的点，火山口一般都有高耸的墙壁和一定数量的平坦表面。这些特征类似地球上的破火山口；如果他们是如同地球上的表兄弟一样，是经由崩塌导致一些熔岩管的形成，但这些仍都是未知的。
有一种假说认为这些特点可已经由发掘火山形成的岩层，和被叠加进入或排除在岩层上的材料来鉴识。不同于地球和火星的特征，这些沉积物没有在盾状火山中心的尖峰，并且更为巨大，它们的平均直径是41公里（25英里），最大的洛基火山口直径达到202公里（126英里）。无论形成的机制是如何，许多火山口的型态学和分布状态建议这些特征是受到结构上的控制，或者至少有一半与山或断层有关。
这些特征通常是火山爆发的特征，可能是熔岩流横越过火山口内的平原，像是2001年季禧霸山的喷发，或是熔岩湖的形成。在艾奥的熔岩湖有一个会持续翻转的熔岩外壳，像是裴蕾火山，或是有着翻转情节的外壳，像是洛基火山口。