和大部分的卫星一样，木卫四是一颗同步自转卫星，即木卫四的自转周期等同于其公转周期，约为16.7个地球日。其轨道离心率很小，轨道倾角也很小，接近于木星赤道，同时在数百年的周期里，轨道的离心率和倾角还会以周期函数的形式受到太阳和木星引力摄动的影响。变化范围分别为0.0072-0.0076和0.20-0.60°。这种轨道的变化使得其转轴倾角在0.4-1.6°之间变化。
木卫四内部结构的部分分层（该结论由无量纲转动惯量数值推断而出）表明该星体从未被充分加热以使其冰质部分融解。因此，其最可能的形成模型是低密度的木星次星云中的缓慢吸积过程。
这个持续时间甚久的吸积过程使得星体最终冷却，而无法保持在吸积过程、放射性元素衰变过程和星体收缩过程积聚的热量，从而阻断了冰体融化和快速分化过程。其形成阶段所耗时间大约在10万年到1000万年之间。
瘤状地形而之后木卫四的进一步演化则取决于放射性衰变的产热机制和靠近星体表面热传导的冷却机制之间的竞赛，以及星体内部到底是处于固态还是亚固态对流状态。冰体的亚固态对流的具体运动状况是所有冰卫星模型中最大的不确定性因素。
基于温度对冰体黏度的影响，当温度接近于冰体的熔点时，就会出现亚固态对流。在亚固态对流中，冰体的运动速度十分缓慢，大约为1厘米/年，但是从长期来看，亚固态对流事实上是非常有效的冷却机制。在木卫四寒冷而坚硬的表层——被称为“密封盖”（stagnant lid）——中，热量的传导并没有以对流形式进行；而在该层之下的冰体中，热量则是以亚固态对流形式进行传导。
对木卫四来说，外部的传导层即是厚度约为100公里的寒冷而坚硬的岩石圈。它的存在解释了为何木卫四表面没有任何内源性构造活动的迹象。而在木卫四内部，热对流可能是分层次的，因为在高压之下，冰体水会出现多种晶相，从星体表面的第一态冰到星体中心的第七态冰。
在早期，木卫四内部亚固态对流机制的运作阻止了冰体的大面积融化，而后者则会导致星体内部的分化，从而形成一个大型的岩石内核和冰质地幔。同时也由于对流作用的存在，冰体和岩石的部分分化持续了数十亿年之久，至今仍在缓慢进行中。
现今解释木卫四形成的观点考虑到了在其表面之下可能存在着一个地下海洋，其形成与冰体的第一晶相的熔点异常有关——其熔点随着压力的增大而降低，当压力达到2070巴时，熔点可低至251K。
在所有的木卫四现实模型中，位于100-200公里深处地层的温度都十分接近，甚至是略微超过了这个异常的熔点。而少量氨——比重约为1-2%——的存在则能够加大该深度液体存在的可能性，因为氨能够进一步降低冰体熔点。
尽管在很多方面木卫四和木卫三十分相似，但是前者的地质历史相对简单。在撞击事件和其他外力影响作用之前，该星体的表面即已基本成型。与拥有槽沟构造的邻近卫星木卫三相比，木卫四上甚少发现地质构造活动的迹象。
这种相对简单的地质历史对于行星科学家来说意义十分重大，他们可将该星体作为一个很好的基本参考对象，用来对比其他更加复杂的星体。
未来人类在木卫四上设置的基地的艺术想象图[40]20世纪70年代，先驱者10号和先驱者11号先后接近木星，获取了少量关于木卫四的新信息。真正的突破来自1979-1980年间旅行者1号和旅行者2号的考察。
它们对木卫四一半以上的表面进行了拍摄，图像分辨率在1-2公里之间，同时还精确地测量了木卫四的表面温度、质量和大小。第二波的考察在1994年至2003年间展开，其时伽利略号8次近距离飞掠木卫四，最后一次飞掠发生在2001年，当时伽利略号位于C30轨道上，距离木卫四表面仅138公里。伽利略号完成了对木卫四表面的全球测绘，并传回了大量分辨率达到15米的特定地区的照片。
2000年，卡西尼号在前往土星途中对包括木卫四在内的四颗伽利略卫星进行了高精度红外光谱探测。2007年2月至3月，新视野号探测器在前往冥王星途中经过木卫四，对其进行了拍摄和光谱分析。
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