華楓看到艾奧表面有100至150座山峰，平均高度為6公里，最高的一座是位於南極的Boösaule Mo
tes，高達17.5±1.5公里。山峰通常都很巨大，平均長度是157公里，被隔絕的結構看起來沒有全球性的構造模式，跟地球上的山峰一樣。艾奧必須要有矽酸鹽岩石構成的地殼，才能支撐這些巨大的山峰，相較之下硫磺構成的地殼就不可能產生。
儘管艾奧廣泛的火山作用呈現出許多的特徵，幾乎所有的山都有來自地殼運動的結構。艾奧多數的山峰並非由火山所造成，反而是由岩石圈受到壓縮應力的結果而形成，這些是經由艾奧外殼經常性的掀動和逆斷層提高的。
導致山峰形成的壓縮應力是來自火山沉積的物質不斷被埋葬的結果。全球性的山脈分佈看起來是與火山結構相對稱的；山峰分佈區域只有少許的火山存在，反之亦然。這建議大尺度區域的岩石圈結構何處被壓縮（支援山的形成）和擴張（支援火山口的形成）所掌控。區域性的，然而山和火山口經常緊靠在一起，則是當山在形成併到達表面時曾經有斷層形成，而造成岩漿的侵蝕。
在艾奧上的山峰（通常是周圍的平原上升的結構）有各種各樣的型態。高原是最普通的，這種結構相似大、頂部平坦的方山與堅固的表面。其它的山看起來是被掀動的地殼，有著平緩斜坡的，是舊有的表面形成的；包括表層物質的陡坡，是下層物質受到壓縮應力抬昇的結果。這兩種山經常都有陡峭的陡坡形成一個或多個的邊緣。
在艾奧上只有幾座山的源頭看起來是火山，這些山類似盾狀火山，坡度是平緩的（6–7°），中心有一個小的破火山口和沿著附近的淺傾斜邊緣。這些火山通常都比艾奧的山的平均大小為小，平均只有1至2公里（0.6至1.2英里）的高度，和40至60公里（25至37英里）寬。其它還有幾個傾斜度更平緩的盾狀火山，因為有熔岩流成輻射狀的從中央輻射而出，才從型態學上推斷是艾奧上的火山，像是拉火山結構。
幾乎所有的山看起來都在退化的階段上，大形的山崩沉積是艾奧上的山的地基共同的現象，因此崩壞作用被建議是退化的主要形式。在艾奧的方山和高原共同的特徵是扇貝狀的邊緣，這是二氧化硫從艾奧的地殼滲透，導致山的邊緣區域弱化的結果。
極光在艾奧的上層大氣發光，不同的顏色來自大氣中不同的成分（綠色來自鈉原子，紅色來自氧原子，藍色來自火山的氣體，像是二氧化硫）。影像是在艾奧食攝影的。
艾奧的大氣層極端稀薄，只有地球大氣壓力的十億分之一，主要的成分是二氧化硫，氯化鈉、一氧化硫及氧也有少許。
稀薄的艾奧大氣意味著未來以任何方式著陸艾奧的探測器都不需要安裝隔熱板來保護儀器，但是需要反推進火箭來進行軟登陸。稀薄的大氣也使得登陸的裝置必需堅固得足以抗拒木星強烈的輻射，這些輻射也使稀薄的大氣變得濃稠。
同樣的輻射（以等離子體的形式存在）也將大氣剝離，所以必須經常補充大氣。二氧化硫最引人注目的來源是火山作用，但是大氣層受到陽光持續的照射也會使凍結的二氧化硫昇華。大氣層主要被限制在赤道，因為該處是最溫暖的，而且能夠形成流束的活躍火山多數也在赤道上。其它的變化也會存在，以在火山口附近的密度最高（特別是有流束的火山口），還有艾奧的反木下點（艾奧上距離木星最遠的一點，那兒的二氧化硫霜的數量最豐富）。
衛星拍攝的高解析影像顯示，天文學家在衛星食的時候可以觀察到類似輝光的極光。這種現象是來自於輻射與大氣層的作用，如同地球的極光。極光通常出現在行星的磁極附近，但是艾奧最明亮極光卻位在赤道區域。
艾奧本身沒有磁場，因此，電子沿著木星的磁場接近艾奧並直接撞擊到衛星的大氣層。越多的電子撞擊大氣層，極光就越明亮，而磁力線是與衛星正切的（也就是說接近赤道），因此在那兒經過的氣柱會最長。極光與艾奧上的正切點的結合被觀察到的"晃動"指出木星的傾斜磁偶極場變化方向。
艾奧的第一份觀測報告是伽利略在1610年1月7日提出的。艾奧和木星其它伽利略衛星的發現被髮表在伽利略於的1610年3月出版的星界報告。
西門馬裡烏斯於1614出版的馬裡烏斯木星報中聲稱，他於1609年就發現了艾奧和木星的其它衛星，比伽利略早了一個星期。伽利略質疑這個宣告，並且反駁馬裡烏斯剽竊、抄襲他的成就。因為伽利略在馬裡烏斯之前就釋出了他的發現，而且相信馬裡烏斯也知道這件事。
在後來的兩個半世紀，艾奧仍未被解析過，在天文學家的望遠鏡中仍然只是一個亮度5等的光點。在17世紀，艾奧和其他的伽利略衛星為各種各樣的目的服務，像是協助船員們進行經度的測量，驗證開普勒的行星運動第三定律，和測量光線在旅行在木星和地球之間的時間 。以卡西尼等人建立的星曆錶為基礎，拉普拉斯創造了一種數學的理論來解釋艾奧、歐羅巴、和蓋尼米得的軌道共振 。這種共振在日後發現對這三顆衛星的地質有深遠的影響。
望遠鏡技術的改進，使19世紀末20世紀初的天文學家有能力在解析（能看得見）出在艾奧上大區域的表面特點。
在1890年代，巴納德首先觀察到艾奧的赤道和極區之間在光度上的變化，正確的測量出這兩個地區的光度變化是來自顏色和反照率的不同，而不是因為艾奧呈現卵型，一如威廉·皮克林和他的同伴所主張的，而不是巴納德最初所主張的是兩個不同的天體 。之後的望遠鏡觀測證實了艾奧很明確的在極區是紅棕色的，而赤道帶是黃白色的。
在20世紀中期的望遠鏡觀測開始注意到艾奧異常的本質。分光鏡的觀測建議艾奧的表面沒有水冰（在其它的伽利略衛星上被發現含量豐富的物質）；同樣的觀測亦表面主要的成分是鈉鹽和硫磺。 電波望遠鏡的觀測揭露了艾奧對木星的磁層有所影響，如被觀察到的十米的波長爆發與艾奧的軌道週期有關 。
透過艾奧附近的第一艘航天器是先驅者10號和先驅者11號這一對孿生的航天器，分別在1973年12月3日和1974年12月2日 以無線電追蹤提供了艾奧質量的改善估計值、與艾奧尺寸的最佳值。認為艾奧是四顆伽利略衛星中密度最高的，主要是由矽酸鹽的岩石組成，而不是水冰組成的。
先驅者號也揭露艾奧有稀薄的大氣層，軌道附近有強烈的輻射傳送帶。先驅者11號的照相機獲得的唯一一張好的照片，顯示了艾奧的北極地區。先驅者10號原先計劃在近距離的接近艾奧時拍攝照片，但是這項觀測因為高輻射的環境而失敗了 。
當另一對航天器旅行者1號和旅行者2號在1979年掠過艾奧，它們更為先進的影像系統可以獲得更好的影像。
旅行者1號在1979年3月5日從20,600公里飛掠過這顆衛星 ，它傳回在接近的影像顯露很奇怪、多彩多姿卻沒有撞擊坑的 。解析度最高的影像顯示出相對年輕的表面點綴著其形怪狀的凹坑，山比艾佛勒斯峰還要高，還有類似熔岩流的特徵。
在短暫的邂逅之後，旅行者工程師琳達·蒙娜碧朵注意到在一張影像中有一個流束從表面放射出來。分析旅行者1號拍攝的其他影像後，總共找到9張有這種流束的照片，證實了艾奧有活躍的火山活動。
在旅行者1號邂逅艾奧之前不久，Sta
Peale、Pat
ick Casse
、和R. T. Rey
olds曾發表了一篇論文，作者計算出因為歐羅巴和蓋尼米得的軌道共振，艾奧的內部會有巨大的潮汐熱化（詳細的過程與解釋請參見潮汐熱的章節）。來自這次飛掠的資料顯示艾奧的表面由硫磺和二氧化硫霜控制著。這些成分也掌控著稀薄的大氣層和圍繞著艾奧軌道的等離子體環（也是旅行者發現的） 。
旅行者2號在1979年7月9日以1,130,000公里（702,150英里）的距離掠過，雖然他沒有旅行者1號那麼接近，比較這兩艘航天器的影像顯示出在這五個月內表面有一些地區發生了變化。另一方面，旅行者2號在離開木星的系統時觀察到艾奧呈現月牙型，並顯示出在3月觀測到的9個流束中的8個依然活躍著，只有裴蕾火山已經熄滅了。
伽利略號航天器從地球出發後經歷了6年的航程，於1995年抵達木星，依循旅行者航天器的發現和地基天文
臺多年的觀測，繼續後續的觀測。艾奧的位置在木星最強烈的一條輻射帶之內，阻礙了近距離長時間飛掠的觀測，但是伽利略主要的任務就是研究伽利略衛星，在最初兩年的任務中軌道將進入並密切的經過這些衛星。在1995年12月7日飛掠過時雖然沒有獲得影像，但還是有重大的結果，例如發現類似於太陽系內側的岩石行星的巨大鐵核 。
在伽利略的主要任務期間，儘管缺乏近距離特寫的鏡頭和機械上的問題，還是傳回來了許多的資料，並且有一些重大的發現。伽利略號觀測到了Pilla
火山的主要爆發，並且證實火山爆發由矽酸鹽的巖等離子體和富含鎂的鎂鐵質和超鎂鐵質成分與硫磺和二氧化硫組成，類似於地球上的水和二氧化碳所扮演的角色。
在任務的主要期間，幾乎每一條軌道都獲得了艾奧遠距離的影像，顯露很大數量的火山活動（來自表面和火山流束兩者的巖等離子體冷卻時都散發出輻射熱），眾多的山和廣泛的型態學上的變化，還有在旅行者和伽利略的年代之間，以及伽利略不同的軌道期間，在表面發生的變化。
伽利略號的任務在1997和2000年兩度的延展，在這些延長任務的期間，航天器在1999年末至2000年初，三度飛越艾奧；在2001年末至2002年初又再三度飛越。在這些遭遇時間的觀察透露了艾奧的火山和山的地質過程，排除了磁場的出現，並且證實了火山運動的程度 。在2000年的12月，卡西尼航天器在前往土星的路程上與木星系統有過短暫的邂逅，與伽利略號聯合一起觀測。這次的觀測在特瓦史塔火山口發現了一個新的流束和證實觀察到了艾奧的極光。