究人员曾通过地面望远镜对土卫六进行观测，他们当时认为，种种迹象显示这一土星卫星上可能存在液态海洋。
土卫六大气的98.44%是氮气，是太阳系中唯一除了地球外的富氮星体，那里还有大量不同种类的碳氢化合物残余（包括甲烷、乙烷、丁二炔、丙炔、丙炔腈、乙炔、丙烷，以及二氧化碳、氰、氰化氢和氦气）。
这些碳氢化合物被认为来自于土卫六上层大气中的甲烷。
当甲烷因为太阳辐射而发生反应就会产生浓密的桔红色烟云。
土卫六没有磁场保护，所以当它有时运行在土星的磁气层外时，便直接暴露在太阳风之下。这导致大气电离并在大气上层释放出一些分子。
在接近表面时，土卫六的温度大约是94K(-179.15℃)。水冰在这种温度下会升华，所以大气中会有少量的水蒸气存在。
土卫六表面除了覆盖全球的迷雾之外也有各种不同的云。云可能是由甲烷，乙烷或简单的有机物组成。
其他稀有的复杂化学物质是土卫六在太空外观呈现橙色的原因。