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大多數海外天體的性質鮮為人知。冥王星和它的衛星冥衛一(Charon)足夠大，與地球的距離足夠近，所以幾十年來，人們一直通過望遠鏡對其進行研究。在冥王星的光譜上已經探測到冰凍的氮、甲烷和二氧化碳。最清晰的望遠鏡圖像顯示，冥王星上的暗斑可能是富含託林的殘留物。冥王星的密度表明，巖石必須佔其總質量的70%左右，所以冥王星的內部很有可能有一個巖石內核。
而這些巖石很可能分化出了一個富含鐵的堅硬內核，其上覆蓋著一層主要由水冰構成的幔，再上面覆蓋著一層揮發性更強的殼。 冥王星位於近日點附近時(最近一次位於近日點附近發生在1989年)會有一個富含氮的大氣層，密度可能比海衛一的大氣層還要大。冥王星的引力是非常弱的，假想它有一個包裹著99%大氣的外殼，這個外殼會延伸到其表面上方300千米處；對地球來說，這樣的大氣延伸的等效高度只有40千米。冥王星將在2113年到達遠日點。
在其與太陽的距離從近日點的45億千米增加到遠日點的74億千米的過程中，冥王星的大部分大氣預計會凝結到其表面上。遺憾的是，我們錯過了在近日點近距離研究冥王星的機會。美國國家航空航天局的新「地平線」號(Horizon)探測器將於2015年飛越冥王星，屆時，大部分冥王星大氣層可能已經凝結，並將其表面「永久」隱藏在季節性氮冰之下。
冥王星的自轉周期為6.4天，與它最大的衛星冥衛一的公轉周期相同，與此同時，冥衛一也在同步自轉。這種關係是強潮汐的結果，意味著冥王星和冥衛一永遠以同樣的一面面向對方。冥衛一在大小和質量上與冥王星比例接近，比其他任何行星或矮行星與自己最大衛星的比例都要大。冥衛一的質量大約是冥王星的12%，它的軌道距離冥王星中心只有17個冥王星半徑。
相比之下，月球的質量僅為地球的1.2%，軌道半徑為60個地球半徑。冥衛一離冥王星很近，這解釋了為什麼它直到1978年才被發現。冥王星的兩顆較小的衛星冥衛二(Nix)和冥衛三(Hydra)是在2005年被發現的，它們的軌道在冥王星的軌道平面上，與冥衛一形成接近4∶1和6∶1的軌道共振。 在冥王星表面看到的冥衛一的大小，等於在地球上看到的月球的大小的8倍。
由於冥王星和冥衛一的相對質量非常接近，它們的共同質心(「重心」)不在冥王星內部，而在兩個天體之間的空間點上。儘管已經知道了像(90)休神星這樣的雙小行星，還有像2001QW332(直徑為200千米的雙生子)這樣的雙柯伊伯帶天體，但是冥王星和冥衛一依然是大到足以算作行星或矮行星的天體中，體量最為接近的一對。 冥衛一的表面主要是水冰和微量的氨。它的密度比冥王星小，但仍然足以形成一個堅固的巖石內核。冥衛一可能是一個相對平淡的、布滿隕石坑的星球，而冥王星可能會像其表面物質多樣性所顯示的那樣，通過地質活動給我們留下深刻的印象。
可能還有一點能讓冥衛一比冥王星更引人注目，那就是冥王星的軸傾角是119.6°(大於90°意味著它的自轉是逆行的)，而冥衛一的軌道正好在冥王星的赤道平面上，因此，相對於它們圍繞太陽的聯合軌道而言，冥衛一的軌道有很大的傾斜度。冥衛一受到的來自太陽和冥王星的競爭性潮汐拉力足夠強大，可能在冥衛一冰幔內的某處引發融化。如果是這樣的話，未來就有趣了。
冥衛一有一個類似於木衛二的表面，在冥衛一表面之下甚至還有一個潛在的孕育生命的海洋。迄今為止，我們取得的最好的提示來自2007年獲得的紅外光譜。通過這些紅外光譜，我們發現，冥衛一表面的水冰仍處於原始的水晶體形式，而不是冰的無定形亞微觀狀態，這種狀態暴露在太陽紫外線輻射和宇宙射線轟擊下的時間已經超過數萬年。冥衛一的間歇泉能對此作出最簡單的解釋。像土衛二上的羽狀物那樣，冥衛一的間歇泉會從內部噴射出新鮮的冰。