研究人員曾通過地面望遠鏡對土衛六進行觀測，他們當時認為，種種跡象顯示這一土星衛星上可能存在液態海洋。但是，科學家們對得出的結論仍有疑惑之處，因為以前的觀測顯示土衛六表面確有著閃爍的液體反光，尤其是幾年前通過大型無線電望遠鏡觀測的結果更證明極有可能存在液體海洋。

土衛六大氣的9844是氮氣，是太陽系中惟一除了地球外的富氮星體，那里還有大量不同種類的碳氫化合物殘余（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、氰化氫和氦氣）。這些碳氫化合物被認為來自于土衛六上層大氣中的甲烷。當甲烷因為太陽輻射而發生反應就會產生濃密的桔紅色煙云。土衛六表面那像是被涂上了一層柏油的有機物沉淀叫做tholi

。土衛六沒有磁場保護,所以當它有時運行在土星的磁氣層外時，便直接暴露在太陽風之下。這導致大氣電離并在大氣上層釋放出一些分子。

在接近表面時，土衛六的溫度大約是94k17915c。水冰在這種溫度下會升華，所以大氣中會有少量的水蒸氣存在土衛六表面除了覆蓋全球的迷霧之外也有各種不同的云。云可能是由甲烷，乙烷或簡單的有機物組成。其他稀有的復雜化學物質是土衛六在太空外觀呈現橙色的原因。

2004年11月卡西尼號飛越過土衛六照片中明亮多云的南極,但并未發現期望的甲烷存在這令科學家們困惑,対云成分的相關研究仍然在進行中,人們過去關于土衛六大氣的知識可能需要重新書寫。

2004年卡西尼號觀測大氣的結果發現土衛六大氣“超級旋轉”，就像金星那樣，其大氣要比表面旋轉快很多。

據美國科學日報報道，西班牙格拉納達大學和瓦倫西亞大學的物理學家們通過分析“惠更斯”探測器對土衛六的特殊觀測數據，明確地證實土衛六大氣層中存在著雷電風暴等自然電活躍性活動。科學團體認為有機分子、早期生命形式可能形成于行星或衛星具有雷電風暴的高層大氣層中。

自從1908年，西班牙天文學家喬西·科馬斯·蘇拉發現土衛六具有大氣層以來，在其他衛星上未曾發現過大氣層的存在。他解釋說，“在土衛六上形成著具有傳遞運動的大氣云層，因此靜態電場和暴風雨狀況可以形成。依據俄羅斯生物化學家亞歷山大·奧帕金的理論和斯坦利·米勒的實驗，土衛六具有雷電風暴活動性的大氣層可能形成有機物質和早期生命形式，該條件下通過釋放電量可從無機混合物中綜合形成有機化合物。