像天王星一样，冥王星在轨道平面的侧着旋转，转轴倾角120度，因此季节性变化非常大。到了至日，它的四分之一表面处于极昼之下，而另一四分之一处于极夜之中。这种不寻常的自转方向的原因已经引起争论。亚利桑那大学的研究表明，这可能由于天体会自转始终的以最大程度地减少能量的方式调整自转方向。这可能意味着天体会改变自转方向，以在赤道附近放置多余的质量，而缺乏质量的区域会趋向两极。这被称为极移。根据亚利桑那大学发表的一篇论文，这可能是由于矮行星阴影区域积聚的大量冻结的氮冰所致。这些质量会导致天体改变自转方向，从而导致其异常的120°转轴倾角。由于冥王星距离太阳很远，赤道温度可能降至-240°C，导致氮气冻结成氮冰，就像水会在地球上结冰一样。在南极冰盖增大数倍的情况下，地球上也会观察到与冥王星的相同影响。
冥王星表面的平原由98％以上的氮冰、微量的甲烷和一氧化碳组成。氮和一氧化碳在冥王星的背对冥卫一的表面上最丰富，位置在经度180°心形汤博地区的西瓣斯普特尼克平原，而甲烷在其东部经度300°附近最丰富。山脉则是由水冰构成的。冥王星的表面变化很大，亮度和颜色都有很大差异。冥王星是太阳系中反差最大的天体之一，与土卫八一样具有强烈的反差。颜色从炭黑色到深橙色和白色不等。冥王星的颜色与木卫一的颜色更相似，橙色比火星稍多，红色比火星少。着名的地理特征包括汤博区域或心形区域，克苏鲁斑或鲸形区域，以及“黄铜指环”。
斯普特尼克平原是心形区域的西瓣，一个1000千米宽覆盖氮冰和一氧化碳冰的盆地，分布着多角形对流单体，对流单体携着水冰壳和升华坑的漂浮块向其边缘移动，有明显的冰川流入和流出盆地的迹象，斯普特尼克平原没有新视野号可见的撞击坑，表明它的年龄不到1000万年。最新研究表明，该表面的年龄为18万年左右。新视野科学团队将初步发现总结为：“冥王星显示出令人惊讶的多种多样的地质地貌，包括由冰川学、地表-大气相互作用，以及撞击，构造，可能的冰火山和质量损失过程产生的地貌。”在斯普特尼克平原的西部地区，由平原中心向周围山脉方向吹的风形成了横向沙丘。沙丘的波长在0.4-1千米范围内，很可能由200-300微米大小的甲烷颗粒组成。
冥王星的密度为1.860±0.013g/cm3。由于放射性元素的衰变最终将加热冰物质，使岩石从冰中分离出来，因此科学家认为冥王星的内部结构与众不同，岩石物质沉降到被水冰幔包围的致密核心中。新视野号之前对核心的直径估计为1700千米，占冥王星直径的70％。这种加热有可能持续进行，在地幔边界处形成100至180千米厚的液态水地下海洋。
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