木衛三是太陽系中最大的衛星。直徑大于水星，質量約為水星的一半。
木衛三主要由 酸鹽岩石和冰體構成，星體分層明顯，擁有一個富鐵的、流動性的內核。體積大于水星，是太陽系中已知的唯一擁有磁圈的衛星。
木衛三最先並非伽利略所發現。在公元前400年到公元前360年之間（最有可能的是在公元前364年夏天）依據《唐開元佔經》引錄甘德論及木星時所說的話︰「若有小赤星附于其側」，著名天文學史家席澤宗先生指出︰甘德在公元前4世紀中葉就觀測到了木星的最後的衛星木衛二。
而對于木星的衛星的發現，近代是在17世紀初望遠鏡發明之後，由意大利大科學家伽利略于1610年用它觀測木星時才發現的。但是甘德早伽利略近兩千年，而且在沒有望遠鏡的條件，僅憑肉眼就發現了木星的衛星，這真是一個奇跡。
而後，天文學家西門‧馬里烏斯以希臘神話中宙斯的愛人伽倪墨得斯為之命名。旅行者號航天器精確地測量了該衛星的大小，伽利略號探測器則發現了它地下海洋和磁場。
木衛三是太陽系中已知的唯一一顆擁有磁圈的衛星，其磁圈可能是由富鐵的流動內核的對流運動所產生的。其中的少量磁圈與木星的更為龐大的磁場相交迭，從而產生了向外擴散的場線。木衛三擁有一層稀薄的含氧大氣層其中含有原子氧，氧氣和臭氧，同時原子氫也是大氣的構成成分之一而木衛三上是否擁有電離層還尚未確定。
木衛三主要由 酸鹽岩石和冰體構成星體分層明顯，擁有一個富鐵的、流動性的內核。科學家推測在木衛三表面之下200千米處存在一個被夾在兩層冰體之間的咸水海洋。木衛三表面存在兩種主要地形︰其中較暗的地區約佔星體總面積的三分之一其間密布著撞擊坑，地質年齡估計有40億年之久；其余地區較為明亮縱橫交錯著大量的槽溝和山脊，其地質年齡較前者稍小。明亮地區的破碎地質構造的產生原因至今仍是一個謎，有可能是潮汐熱所導致的構造活動造成的。
木衛三是太陽系中已知的唯一擁有磁圈的衛星。它擁有一層稀薄的含氧大氣層，其中含有原子氧，氧氣和臭氧。而木衛三上是否擁有電離層還尚未確定。
木衛三的表面主要存在兩種類型的地形︰一種是非常古老的、密布撞擊坑的暗區，另一種是較之前者稍微年輕（但是地質年齡依舊十分古老）、遍布大量槽溝和山脊的明區。暗區的面積約佔球體總面積的三分之一，其間含有粘土和有機物質，這可能是由撞擊木衛三的隕石帶來的。
而產生槽溝地形的加熱機制則仍然是行星科學中的一大難題。現今的觀點認為槽溝地形從本質上說主要是由構造活動形成的；而如果冰火山在其中起了作用的話那也只是次要的作用。
為了引起這種構造活動，木衛三的岩石圈必須被施加足夠強大的壓力，而造成這種壓力的力量可能與過去曾經發生的潮汐熱作用有關——這種作用可能在木衛三處于不穩定的軌道共振狀態時發生引力潮汐對冰體的撓曲作用會加熱星體內部，給岩石圈施加壓力，並進一步導致裂縫、地壘和地塹的形成，這些地形取代了佔木衛三表面積70%的古老暗區。
槽溝地形的形成可能還與早期內核的形成過程及其後星體內部的潮汐熱作用有關，它們引起的冰體的相變和熱脹冷縮作用可能導致木衛三發生了微度膨脹，幅度為1-6%。隨著星體的進一步發育，熱水噴流被從內核擠壓至星體表面，導致岩石圈的構造變形。星體內部的放射性衰變產生的熱能是最可能的熱源，木衛三地下海洋的形成可能就有賴于它。通過研究模型人們發現，如果過去木衛三的軌道離心率值較現今高很多（事實上也可能如此），那麼潮汐熱能就可能取放射性衰變熱源而代之，成為木衛三最主要的熱源。
在兩種地形中均可見到，但是在暗區中分布的更為密集︰這一區域遭遇過大規模的隕石轟擊，因而撞擊坑的分布呈飽和狀態。較為明亮的槽溝地形區分布的撞擊坑則較少，在這里由于構造變形而發育起來的地形成為了主要地質特征。撞擊坑的密度表明暗區的地質年齡達到了40億年，接近于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為降低在亮區中，既有撞擊坑覆蓋于槽溝之上的情況，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，這可能是由于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，只留下一種被稱為變余結構的殘跡。
木衛三的顯著特征包括一個被稱為伽利略區的較暗平原，這個區域內的槽溝呈同心環分布，可能是在一個地質活動時期內形成的。另外一個顯著特征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為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，一種認為是高緯度的冰體擴散所致，另一種認為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于後一種理論。