Callisto est composée approximativement à parts égales de roche et de glaces. En raison de l'absence d'échauffement dû aux forces de marées, la lune ne serait que partiellement différenciée. Des recherches menées à l'aide de la sonde Galileo ont révélé que Callisto pourrait posséder un petit noyau composé de silicates, ainsi qu'un océan d'eau liquide à plus de 100 kilomètres sous la surface de la lune qui serait susceptible d'accueillir la vie extraterrestre.
La surface de Callisto est très cratérisée, extrêmement vieille et ne présente pas de trace d'activité tectonique. La surface de Callisto est moins affectée par la magnétosphère de Jupiter que celle des autres satellites internes car elle est plus éloignée de la planète. Callisto est entourée par une atmosphère très ténue composée notamment de dioxyde de carbone et probablement d'oxygène moléculaire, ainsi que par une ionosphère intense.
Plusieurs sondes spatiales, de Pioneer 10–11 à Galileo et Cassini ont étudié la lune. Callisto a pendant longtemps été considérée comme le corps le plus adapté à l'installation d'une base humaine pour l'exploration du système jovien
