冥王星（Pluto，小行星编号为134340，天文符号为♇）是柯伊伯带中的矮行星。冥王星是被发现的第一颗柯伊伯带天体，第一颗类冥天体，是太阳系内已知体积最大、质量第二大的矮行星。

在1840年代，奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）在分析天王星轨道的扰动后，利用牛顿力学来预测当时未被发现的行星——海王星的位置。随后在19世纪后期对海王星的观测，使天文学家推测天王星的轨道正受到海王星以外的另一个行星的干扰。1906年，珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell），一位富有的波士顿人，于1894年在亚利桑那州弗拉格斯塔夫成立了罗威尔天文台（Lowell Observatory）。1906年，他开始搜索第九大行星——行星X。到1909年，罗威尔和威廉·亨利·皮克林（William H. Pickering）提出了这种行星的几种可能的天球坐标。此项搜索一直持续到1916年罗威尔逝世为止，但是没有任何成果。1915年3月19日的巡天已拍摄到了两张带有模糊的冥王星图像的照片，但是这些图像并没有被正确辨认出来。已知的此类前向重建照片还有15张，最早可追溯至叶凯士天文台于1909年8月20日拍摄的照片。帕西瓦尔·罗威尔的遗孀康斯坦斯·罗威尔（Constance Lowell）企图获取天文台中其夫所有的份额，为此展开了十年的法律诉讼。对X行星的搜索因由此产生的法律纠纷直至1929年才恢复。时任天文台主管的维斯托·斯里弗（Vesto Melvin Slipher）在看到克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）的天文绘图样品后，将搜索X行星的任务交与汤博。

汤博的任务是系统地成对拍摄夜空照片、分析每对照片中位置变化的天体。汤博借助闪烁比对器快速调换感光干板搜索天体的位置变化或外观变化。1930年2月18日汤博在经历近一年的搜索后在当年1月23日与1月29日拍摄的照片中发现了一可能移动的天体。1月21日的一张质量不佳的照片确认了该天体的运动。在天文台进一步拍摄了验证照片后，发现第九大行星的消息于1930年3月13日由电报发往哈佛大学天文台。冥王星的公转周期是247.68年，自从被发现以来，冥王星还没有完整的绕太阳公转一周。

发现第九大行星的消息在全世界产生轰动。罗威尔天文台拥有对该天体的命名权，他们从全世界收到了超过一千条命名建议，从Atlas到Zymal。克莱德·汤博敦促维斯托·斯里弗尽快在他人起名前提出一个名字。康斯坦斯·罗威尔提出了宙斯（Zeus），然后是珀西瓦尔（Percival），最后是康斯坦斯（Constance），这些建议被无视了。英国牛津的10岁女学生威妮夏·伯尼（Venetia Burney）因其对古罗马神话的兴趣建议以罗马神话中的冥界之神普鲁托（Pluto）命名此行星。伯尼在与其祖父福尔克纳·梅丹（Falconer Madan）交谈中提出了这个名字。原任牛津大学博德利图书馆馆员的梅丹将这个名字交给了天文学教授赫伯特·霍尔·特纳（Herbert Hall Turner），特纳将此事拍电报发给了美国同行。

该天体正式于1930年7月12日命名。所有罗威尔天文台成员允许在三个候选命名方案中投票选择一个：密涅瓦（Minerva，已被一小行星使用）、克罗诺斯（Cronus，宙斯之父第一代泰坦十二神的领袖，因被不受欢迎的天文学家托马斯·杰斐逊·杰克逊提出而落选）、普鲁托（Pluto）。最后普鲁托以全票通过，该命名于1930年5月1日公布。梅丹在得知此消息后奖励其孙女威妮夏5英镑（相当于2014年的300英镑或450美元）。Pluto获选的部分原因是头两个字母P和L为帕西瓦尔·罗威尔的首字母缩写。该天体的天文符号（♇，Unicode为U+2647）是由字母P和L构成的花押字。

普鲁托（Pluto）这个名字迅速被大众文化所接受。1930年华特·迪士尼（Walt Disney）似乎受普路托启发设计了米老鼠的宠物狗布鲁托（Pluto），但是迪士尼动画师本·夏普斯廷无法确认布鲁托名字的来源。1941年格伦·西奥多·西博格（Glenn T. Seaborg）按照铀（Uranium）以天王星（Uranus）命名、镎（Neptunium）以海王星（Neptune）命名的传统将新创造的元素钚（Plutonium）以冥王星（Pluto）命名。

大多数语言以Pluto的不同文化的意译变体称呼该天体。日本天文学、民俗研究者野尻抱影提议在日语中以“冥王星”（Meiousei）称呼。汉语、韩语直接借用了该名称。越语（Sao Diêm Vương）意为阎罗王星，源于汉语中的阎王（Yánwáng）。部分印度语言使用Pluto称呼该冥王星，但是包括印地语在内的其他印度语言使用印度教中的阎摩或佛教的阎罗王（都称Yama）来称呼冥王星。波利尼西亚语言也倾向于使用本土文化中的地狱之神称呼冥王星，例如毛利语中的Whiro。

冥王星一经发现，它的模糊且不好分辨的圆面就使人们怀疑它是罗威尔定义的行星X。在整个20世纪，冥王星的质量估计值都在向下修正。天文学家最初根据其对海王星和天王星的影响来计算其质量。1931年，粗略计算得到的冥王星质量大约等于地球的质量，1948年又进行了进一步的计算，使质量下降到了大约火星的质量。1976年，夏威夷大学的戴尔·柯雷萨恩克（Dale Cruikshank）、卡尔·皮尔彻（Carl Pilcher）和大卫·莫里森（David Morrison）首次计算了冥王星的反照率，发现与甲烷冰的反射情况相匹配。这意味着冥王星特别反光，鉴于它的大小，因此不会超过地球质量的1％。冥王星的反照率是地球的1.4–1.9倍。

1978年，冥王星的卫星冥卫一（Charon）的发现，使冥王星的质量首次得以测量，结果大约是地球质量的0.2％，质量太小无法解释天王星轨道的问题。随后寻找替代行星X的尝试都失败了，其中最著名的是罗伯特·萨顿·哈灵顿（Robert Sutton Harrington）的研究。 1992年，迈尔斯·斯坦迪什（Myles Standish）使用了旅行者2号于1989年飞掠海王星时所获得的数据，使得海王星质量的估算值下调了0.5％（与火星质量相当）。根据新的数据重新计算海王星对天王星的引力效应时，与之前计算的差异使得对行星X的需求消失了。之后，大多数科学家都认为罗威尔定义的行星X并不存在。罗威尔在1915年对行星X的轨道和位置做出了预测，该预测与冥王星当时的实际轨道及位置相当接近。欧内斯特·布朗（Ernest W. Brown）很快得出结论，冥王星的发现只是个巧合。

“行星”有两个主要定义。忽略通常不一致的技术细节，第一个要求天体是否像行星一样运转（例如其轨道和与其他物体的关系），第二个要求天体看起来像行星一样（例如其是否具有行星地质）。冥王星符合第二个定义，但不符合第一个定义。

从1992年起，发现了许多与冥王星相同体积的天体，这表明冥王星仅是柯伊伯带天体的其中一员。这使它的行星地位成为争议，许多人质疑冥王星是否应该与周围天体一起考虑还是分开考虑。博物馆和天文馆馆长有时会通过在太阳系的行星模型中忽略冥王星，从而引起争议。2000年2月，纽约海登天文馆（Hayden Planetarium）展示了只有八个行星的太阳系模型，一年后成为头条新闻。

争论在2006年8月达到顶峰，国际天文学联盟的一项决议为“行星”一词创建了正式定义。根据该决议，将太阳系中的物体视为行星有三个条件：1.天体必须绕太阳公转。2.天体必须足够大，才能通过其自身引力形成球形。更具体地说，其自身的重力应将其拉成流体静力平衡所定义的形状。3.天体必须清除其轨道附近的区域。

冥王星不符合第三个条件。它的质量远小于其轨道上其他物体的总质量，只占后者的7%。与之相比，地球质量是地球轨道上其他小天体质量总和（不包括月球）的170万倍。国际天文学联合会进一步决定，像冥王星一样满足标准1和2但不满足标准3的天体将被称为矮行星。2006年9月，国际天文学联合会将冥王星、阋神星及阋卫一编入小行星星表，并为其正式编号为（134340）Pluto，（136199）Eris和（136199）Eris I Dysnomia。如果冥王星在1930年被发现时就被编入小行星星表，那么它可能会被安排在早一个月发现的1163 Saga之后，编为1164号小行星。

在天文学界内部，不少人对重新分类冥王星有所抵触。美国宇航局新视野号冥王星任务的首席研究员艾伦·斯特恩（Alan Stern）嘲笑了国际天文学联合会的决议，指出“由于技术原因，该定义令人讨厌”。斯特恩争辩说，按照新定义的行星概念，地球、火星、木星和海王星都将因为与小行星共享轨道，被排除在行星之外。他认为，所有大型球形卫星，包括月亮，也应视为行星。他还指出，由于只有不到5％的天文学家对此表示赞成，因此该决定并不代表整个天文学界。当时在罗威尔天文台的马克·布伊（Marc W. Buie）反对该定义。其他人则支持国际天文学联合会。发现阋神星（Eris）的天文学家迈克·布朗（Mike Brown）说：“人们通过完全疯狂的、类似于马戏团的程序，以某种偶然的方式找到了正确的答案。即便这决定早就该来了。即使涉及到强烈的情绪，科学最终还是会自我纠正。“

公众对国际天文学联合会的决定反应复杂。加利福尼亚州议会通过的一项决议开玩笑地将国际天文学联合会的决定称为“科学异端”。新墨西哥州众议院通过了一项纪念该州长期居民克莱德·汤博的决议，该决议宣布在新墨西哥州的天空中，冥王星将一直被视为行星，并将2007年3月13日设为冥王星行星日。伊利诺伊州参议院在2009年通过了一项类似的决议，理由是冥王星的发现者克莱德·汤博（Clyde Tombaugh）出生在伊利诺伊州。该决议声称，国际天文学联合会将冥王星“不公平地降级为'矮行星'。”一些公众人士也拒绝了这一改变，理由是科学界内部对此问题或出于情感原因存在分歧，坚持认为他们一直将冥王星称为行星，并且无论国际天文学联合会的决定如何，都将继续这样做。

2006年，美国方言协会第17届投票将“plutoed”定为年度单词，“pluto”变动词后意为“使某人或某物，降级或贬值”。2008年8月在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室举行了一场辩论，双方研究人员就国际天文学联合会现行行星定义进行了背靠背的辩论。会议发表了题为“大行星辩论”的会后新闻稿，指出科学家无法就行星的定义达成共识。2008年6月，国际天文学联合会在一份新闻稿中宣布，类冥行星（Plutoid）一词从此以后将用来指称冥王星和其他轨道半长轴大于海王星的行星质量天体，尽管该术语尚未得到广泛使用。

冥王星的轨道周期约为248年。它的轨道特性与行星的轨道特性大不相同，行星靠近被称为黄道的参考平面以近似圆形的轨道围绕太阳运动。相比之下，冥王星的轨道相对于黄道略微倾斜（超过17°），偏心率略大（椭圆）。这种偏心率意味着冥王星的一小部分轨道比海王星的轨道更靠近太阳。冥王星-冥卫一质心于1989年9月5日到达近日点，并在1979年2月7日至1999年2月11日之间比海王星更靠近太阳。

从长期来看，冥王星的轨道是混乱的。使用计算机模拟可以向前和向后来预测数百万年间冥王星的位置，因冥王星会受太阳系内细微因素的影响改变轨道，超过李雅普诺夫时间（Lyapunov Time，一千万年到两千万年）后，预测的不确定性会变大，难以预测的因素将逐渐改变冥王星在其轨道上的位置。冥王星轨道的半长轴在39.3至39.6天文单位之间变化，周期为19,951年，对应于246至249年之间的轨道周期。冥王星的半长轴和公转周期在变得越来越长。

尽管从正上方看，冥王星的轨道似乎与海王星的轨道交叉，但两个天体的轨道是关联的，因此它们永远不会碰撞甚至接近。冥王星轨道与海王星轨道并没有交点。从极面上看冥王星与海王星的距离在冥王星处于近日点时最近，但此时冥王星因与海王星轨道相隔8天文单位而不会产生碰撞。冥王星的升交点和降交点与海王星的对应交点相隔超过21°。光靠这还不足以保护冥王星。冥王星的轨道可能受到其他行星的摄动（拱点进动）而最终与海王星相撞。因此还有其他机制防止两颗天体相撞。其中最主要的机制是冥王星与海王星的2：3平均运动轨道共振：冥王星完成两次公转时，海王星完成三次公转。该过程以495年的周期周而复始。在每个周期中，冥王星第一抵达近日点，海王星比冥王星落后50°。冥王星到达第二个近日点，海王星将完成其自身轨道的一半左右，比冥王星领先130°。因此冥王星与海王星的最近距离是17天文单位，大于冥王星与天王星的最近距离（11天文单位）。实际上，冥王星和海王星之间的最小距离发生在冥王星到达远日点时。

两个物体之间的2：3共振高度稳定，并已保持了数百万年。该机制防止两颗天体改变相对位置，使其无法靠近对方。即使冥王星的轨道与海王星轨道共面，这两个天体也永远不会碰撞。平均运动共振的长期稳定性归因于相位保护。如果冥王星的周期略短于海王星的3/2，则会发生相对于海王星轨道的漂移，从而使它更靠近海王星的轨道。两者之间的强烈引力使海王星的角动量转移到冥王星。根据开普勒第三定律，这将使冥王星进入稍大的轨道，并在其中运行得稍慢一些。经过多次此类重复之后，冥王星被充分减速，海王星也被充分加速，以至于冥王星相对于海王星的轨道向相反方向漂移，直到过程逆转。整个过程大约需要20000年。

数值研究表明，冥王星和海王星轨道在数百万年内没有太大变化。除了2：3平均运动共振之外，还有其他一些共振和相互作用可以增强冥王星的公转稳定性。这些主要来自两个额外的机制。

首先，冥王星的近日点幅角，也就是轨道和黄道的交点与最接近太阳的点之间的夹角，平均约为90°。这意味着当冥王星最靠近太阳时，它位于太阳系平面上方最远的位置，从而防止与海王星的相遇。这是古在机制（Kozai mechanism）的结果，该机制将轨道倾角和离心率的周期性变化与更大的扰动体（在本例中为海王星）相关联。冥王星近日点幅角相对于海王星变化的幅度为38°，冥王星近日点因此与海王星轨道的角距离总是大于52°(90°–38°)。两颗天体的角距离大约每一万年达到最小值。

其次，两个物体的升交点经度（它们与黄道相交的点）与以上近似共振。当两者经度相同时（也就是说，可以通过两个节点和太阳绘制一条直线时），冥王星的近日点正好位于90°，因此当冥王星最接近太阳时，则位于海王星轨道上方的最高点。这就是所谓的1：1超共振。所有的类木行星，特别是木星，都在超共振的产生中发挥作用。

在2012年，有人假设15810号小行星Arawn可能是冥王星的准卫星，这是一种特殊类型的共轨状态。根据该假设，该天体将在每两百万年中的约35万年成为冥王星准卫星。根据新视野号航天器在2015年进行的测量，可以准确地计算出Arawn的轨道。这些计算证实了假设中描述的整体动态。但是，天文学家之间尚无共识，是否应根据这一运动将Arawn归类为冥王星的准卫星，因为Arawn的轨道主要是由海王星控制的，冥王星引起一些较小的扰动。

冥王星的自转周期，即它的一天，等于6.387地球日。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（夏至和冬至），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（33.1 K），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（Tombaugh Regio）的西瓣斯普特尼克平原（Sputnik Planitia），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。著名的地理特征包括汤博区域或心形区域（背对冥卫一的一个较大明亮区域），克苏鲁斑（Cthulhu Macula）或鲸形区域（在后随半球的一个较大的黑暗区域），以及“黄铜指环”（Brass Knuckles，前导半球上的一系列赤道暗区）。

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。2016年9月，布朗大学的科学家模拟了据认为形成了斯普特尼克平原的撞击，并表明这可能是碰撞后液态水从下方上升的结果，这意味着存在至少100千米深的地下海洋。冥王星没有磁场。2020年6月，天文学家报告了冥王星首次形成时可能存在内部海洋的证据。

冥王星的直径为2376.6±3.2千米，其质量为（1.303±0.003）×1022kg，是月球的17.7％（地球的0.22％）。其表面积为1.779×107 km2，与俄罗斯面积大致相同。它的表面重力为0.063g（地球为1g，月亮为0.17g）。由于冥王星太暗太小，发现后很长时间不能确定它的大小。最早估计它的直径是6600千米，1949年改为10000千米。1950年杰拉德·柯伊伯用新建的5米望远镜将其直径修正为6000千米。1965年杰拉德·柯伊伯用冥王星掩暗星的方法定出直径的上限为5500千米。1977年发现冥王星表面存在冰冻甲烷，按其反照率测算，冥王星的直径缩小到2700千米。

1978年冥卫一发现后，可以通过开普勒第三定律的牛顿公式计算冥王星-冥卫一系统的质量。对冥王星与冥卫一掩星的观测使科学家能够更准确地确定冥王星的直径，而自适应光学的发明也使他们能够更准确地确定冥王星的形状。当时一些天文学家观测指出，冥王星的直径约为2400千米，比月球（3475千米）还小，而卡戎直径为1180千米，它与冥王星直径之比是2:1，是九大行星中行星与卫星直径之比最小的。所以，有人认为冥王星和冥卫一更像一个双行星系统。冥王星小于月球质量的20%，比类地行星的质量小得多，也小于太阳系中七个卫星的质量，包括木卫三，土卫六，木卫三，木卫一，月球，木卫二和海卫一。冥王星质量远小于冥卫一被发现之前的估算。冥王星的直径是谷神星的直径的两倍以上，质量是谷神星的质量的12倍，谷神星是小行星带中最大的天体。它比2005年发现的外海王星天体矮行星阋神星的质量要小，尽管冥王星的直径略大于阋神星的直径2326千米。但由于没有近距离探测过阋神星，因此无法确定阋神星一定比冥王星小。

冥王星大小的确定因其大气和碳氢化合物薄雾而变得复杂。2014年3月，Lellouch，de Bergh等人发表的论文发现了冥王星大气中甲烷混合比，因此得出冥王星直径大于2360千米的结论，“最佳猜测”值为2368千米。2015年7月13日，来自美国国家航空航天局（NASA）的新视野号远程侦察成像仪（LORRI）的图像以及其他仪器的数据确定了冥王星的直径为2370千米（1,470英里）。7月24日更新为2372千米（1,474英里），后来又更新为2374±8千米。根据新视野号无线电科学实验装置（REX）的无线电掩星观测数据，结果为直径为2376.6±3.2千米。

冥王星拥有由氮气（N2），甲烷（CH4）和一氧化碳（CO）组成的薄弱大气，这层大气与冥王星表面的冰处于平衡状态。根据新视野号的测量，表面压力约为1Pa（10μbar），约为地球表面大气压的一百万分之一到十万分之一。最初认为，随着冥王星不断远离太阳，它的大气层应该逐渐冻结在表面上。后来，通过新视野数据和地面掩星的研究表明，冥王星的大气密度却在增加，并且可能在整个冥王星轨道周期中维持气态。

新视野号的观测表明，大气中氮气的逸出量比预期的少10,000倍。艾伦·斯特恩（Alan Stern）争辩说，即使冥王星的表面温度略有升高，也可能导致冥王星的大气密度呈指数增长。从18hPa到280hPa（百帕，从火星的三倍到地球的四分之一）。在这样的大气密度下，氮气会以液体形式流过整个表面。就像汗水从皮肤上蒸发时会冷却身体一样，冥王星的大气升华也会使其表面冷却。大气气体的存在可以追溯至1670千米高度，没有明确的上边界。

冥王星大气中甲烷（一种强大的温室气体）的存在会引起温度反转，其大气的平均温度比其表面高几十度，尽管新视野号的观测表明冥王星的高层大气要冷得多（70K，而不是大约100K）。冥王星的大气层被分成大约20个规则间隔的薄雾层，最高可达150千米，这被认为是冥王山脉上的气流产生压力波的结果。

2015年7月，新视野号探测器陆续发送冥王星冰山、冰块、陨坑，甚至积雪的图像，显示冥王星有存在云层的证据。左侧图片显示斯普特尼克平原东南部上空有一道非常明亮的低空烟雾，图片右侧Krun Macula区域阳光照射表面存在一个离散模糊云层，但是新视野号研究团队无法证实云层的真实存在。约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室发言人称，研究小组认为这是冥王星大气层存在的证据，其中包括复杂的雾霾，科学家继续分析和讨论输入数据。

这项研究产生一个疑问——是否冥王星应当恢复行星地位。如果冥王星存在云层，则意味着它存在着一个活跃的表面物质循环，像地球的水循环或者土卫六的甲烷循环。这项研究产生了关于冥王星表面和大气层的新疑问，英国皇家天文学会主席马丁·巴斯托（Martin Barstow）教授说：“这是新视野号探测器飞越冥王星时令人兴奋的新发现，虽然我认为需要一些时间来理解我们所观测到的信息。与地球相比，冥王星大气层更稀薄，因此是否有云层存在较大的不确定性。巴斯托说：“地球大气云层是大气层中悬浮水滴形成的，我们可能看到（冥王星上的）一个类似效应，但不一定是水，尤其当温度非常低时，或者表面释放物质形成云层，因此我们看到的区域存在更多气体，看上去比周围区域更加不透明。但是物理学家强调称，即使冥王星存在某种类型的活跃周期，它并不会恢复行星身份。巴斯托指出，太阳系其它星球也存在着活跃周期，例如：土卫六（土星最大的卫星），我并不认为这项最新研究会成为恢复冥王星行星身份的有力证据。

冥王星有五颗已知的自然卫星，其中最大最接近冥王星的是冥卫一。冥卫一（Charon）于1978年由天文学家詹姆斯·克里斯蒂（James Christy）发现，是冥王星仅有的可能处于流体静力平衡状态的卫星。冥卫一的质量足以使冥王星–冥卫一系统的质心位于冥王星星体之外。在冥卫一之外，有四个较小的外接卫星。按照与冥王星距离的顺序，它们是冥卫五（Styx），冥卫二（Nix），冥卫四（Kerberos）和冥卫三（Hydra）。冥卫二和冥卫三都在2005年被发现，冥卫四发现于2011年，冥卫五发现于2012年。卫星的轨道是圆形的（偏心率小于0.006），且与冥王星的赤道共面（轨道倾角小于1°），但与冥王星公转轨道面大约倾斜了120°。冥王星系统高度紧凑，五颗已知的卫星在稳定升轨的区域的内部3％内运行。

所有冥王星卫星的轨道周期都在轨道共振和近共振系统中。考虑到轨道进动，冥卫五，冥卫二和冥卫三轨道周期的比例精确为18：22：33。冥卫五，冥卫二，冥卫四和冥卫三与冥卫一的周期之间存在一系列近似比率3：4：5：6。卫星轨道越靠外，比率就越接近精确。

冥王星-冥卫一系统质心位于中心天体外部，是太阳系中的少数案例之一。 617号小行星及其卫星系统（Patroclus–Menoetius）是一个较小的案例，而太阳-木星（Sun–Jupiter）系统是仅有的较大案例。冥卫一和冥王星的大小相似，因此一些天文学家称其为双矮行星。该系统在行星系统之中也很不寻常，因为它们相互潮汐锁定，冥王星和冥卫一始终用相同的半球面向彼此。在一个天体的任何位置上来看，另一个总是在天空中相同的位置，或者总是被遮掩无法看到。这也意味着它们每个自转周期等于整个系统围绕其质心的公转周期。

2007年，双子星天文台观察到冥卫一表面有氨水合物和水晶体的斑块，表明存在活跃的低温间歇泉。据推测，在太阳系历史早期，冥王星与类似大小的天体碰撞形成了冥王星的卫星。碰撞释放了大量物质，这些物质聚集形成冥王星周围的卫星。

冥王星的起源和身份一直困扰着天文学家。一个被否定的早期假设认为冥王星是海王星的逃逸卫星，被海王星当前最大的卫星海卫一（Triton）挤出轨道。动力学研究表明这个假设是不可能的，因为冥王星从未在轨道上接近过海王星。直到1992年冥王星在太阳系中的真实定位才开始明确，当时天文学家开始发现较小且冰冷的外海王星天体（TNO），它们不仅在轨道上而且在大小和组成方面都与冥王星相似。这种外海王星的天体被认为是许多短周期彗星的来源。冥王星是柯伊伯带中最大的成员之一，柯伊伯带是位于距太阳30到50天文单位之间的天体聚集的稳定带状区域。截至2011年，对柯伊伯带中视星等21等以上的天体调查已接近完成，此外任何剩余的冥王星大小的天体预计都将距离太阳100天文单位以上。像其他柯伊伯带天体（KBO）一样，冥王星也与彗星有类似的特征。例如，太阳风会逐渐将冥王星的表面物质吹向太空。假设冥王星与地球一样靠近太阳，它将像彗星一样长出一条尾巴。这一说法也存在争议，因为冥王星的逃逸速度太高以至于气体无法逃脱。有人提出，冥王星可能是由众多彗星和柯伊伯带天体的聚集而形成的。

冥王星是最大的柯伊伯带天体。海王星的卫星海卫一，稍大于冥王星，在地质和大气上都与它相似，被认为是海王星捕获的柯伊伯带天体。阋神星也与冥王星不相上下，但严格来说并不是柯伊伯带的成员，一般被视为离散盘天体的成员。冥王星等大量柯伊伯带天体与海王星处于2：3的轨道共振中。因冥王星最先被发现，具有这种轨道共振的柯伊伯带天体称为“类冥天体”（plutinos）。

与柯伊伯带的其他成员一样，冥王星被认为是行星形成后剩余的微行星（Planetesimal）。这些微小天体属于太阳周围的原行星盘的一部分，但未能完全融合成一个完整的行星。大多数天文学家都认为冥王星处于当前位置，是由于海王星在太阳系形成初期突然发生行星迁移所致。当海王星向外迁移时，靠近原始柯伊伯带中的天体，俘获其中的一个绕其旋转（海卫一），将部分天体锁定为共振状态，并将其他天体推入混沌轨道。离散盘是一个与柯伊伯带重叠的动态不稳定区域，离散盘天体被认为是通过与海王星迁移的共振相互作用而被推至当前位置的。2004年，位于法国尼斯的蔚蓝海岸天文台的亚历山德罗·莫比德利（Alessandro Morbidelli）创建了一个计算机模型，海王星向柯伊伯带的迁移可能是由木星与土星之间的1：2共振形成触发的。引力推动天王星和海王星进入更高的轨道，并导致它们互换轨道位置，最终使海王星到太阳的距离增加了一倍。由此产生的物体从原始柯伊伯带被逐出，也可以解释太阳系形成六亿年后的后期重轰炸期和木星特洛伊小行星的起源。在海王星迁移之前，冥王星在一个离太阳大约33天文单位的近圆形轨道上运行，之后海王星迁移干扰了冥王星的初始轨道并将其共振捕获。尼斯模型计算时需要在原始微行星盘中包含约1000个冥王星大小的天体，其中包括海卫一和阋神星。

冥王星与地球的距离过于遥远，使其难以被深入研究和探索。2015年7月14日，NASA的新视野号太空探测器飞越了冥王星系统，提供了许多信息。

冥王星的视星等平均为15.1，在近日点增亮至13.65。要想看到它，需要大约30厘米（12英寸）口径的望远镜。冥王星看起来像星星，即使在大型望远镜中也看不到圆盘，它的角直径只有0.11秒。冥王星最早的地图是1980年代后期制作的，在冥卫一对其近距离掩食期间，通过对冥王星-冥卫一系统的总体平均亮度的变化进行观测。例如，掩盖冥王星上表面的亮区比掩盖暗区的总亮度变化更大。大量观察结果数据交由计算机处理，创建亮度地图。这种方法也可以跟踪亮度随时间的变化。更好的地图是由哈勃太空望远镜（HST）拍摄的图像生成的，有更高的分辨率并且显示更多细节，亮度变化精确到数百千米范围，包括极地地区和大的亮区。这些地图是通过复杂的计算机处理生成的，通过哈勃太空望远镜提供的像素点找到了最合适的投影。直到2015年7月新视野号飞越冥王星系统之前，这些地图仍然是冥王星最详细的地图，因为哈勃太空望远镜上用于拍摄这些照片的两个镜头已不再使用。

新视野号飞船于2015年7月对冥王星进行了飞掠观测，这是首次也是仅有的一次直接探索冥王星的尝试。新视野号于2006年发射，2006年9月下旬，在对其搭载的远程侦察成像仪进行测试时，拍摄了冥王星的第一张遥远图像。这些图像是从约42亿千米的距离拍摄的，证实了该航天器能够追踪远距离目标的能力，这对于向冥王星和其他柯伊伯带天体的航行至关重要。 2007年初，飞船通过木星的引力弹弓效应进行加速。

在经过3462天的飞越太阳系的旅行之后，新视野号于2015年7月14日完成对冥王星近距离的飞掠。对冥王星的科学观测始于飞掠之前五个月，并且在飞掠之后持续了至少一个月。使用包括成像仪器和无线电测量工具在内的遥感组件包进行了观察，也开展了光谱分析及其他实验。新视野号的科学目标是测量冥王星及冥卫一的全球地质和形态，绘制其表面组成，分析冥王星的中性大气及其逃逸速率。在2016年10月25日，美国东部时间下午05:48，地面从新视野号收到了冥王星系统的最后数据（总共500亿比特即6.25GB数据）。

自新视野号飞掠冥王星以后，科学家一直倡导执行一次新的轨道探测任务，发射新的轨道探测器到冥王星以实现新的科学目标。其中包括以每像素9.1米的精度绘制表面，观测冥王星的小卫星，观察冥王星自转轴如何变化，以及绘制因轴向倾斜而长期处于黑暗的区域的地形图。最后一个目标可以使用激光脉冲实现，生成冥王星的完整地形图。新视野号首席研究员艾伦·斯特恩（Alan Stern）提倡研制一种类似卡西尼号的轨道探测器，该轨道器2030年左右发射（发现冥王星100周年），到达冥王星系统后根据需要使用冥卫一的引力来调整其轨道以实现科学目标。在完成所有冥王星探测的科学目标之后，轨道探测器可以利用冥卫一的引力离开冥王星系统，并研究更多的柯伊伯带天体。由美国国家航空航天局创新先进概念（NIAC）计划资助的一项概念研究，该项目基于普林斯顿场反转结构的聚变反应堆，包括冥王星轨道探测器和着陆器。

由于新视野号最接近背向冥卫一的冥王星半球，面向冥卫一半球的赤道区域仅以低分辨率成像。新视野号拍摄了冥王星北半球以及赤道地区以南约30度的图像。冥王星南半球高纬度地区仅有从地球观测到的图像，分辨率非常低。1996年哈勃太空望远镜拍摄的影像覆盖了冥王星表面的85％，包括南纬75度的大型反照率特征。这足以显示温带区黄斑的程度。由于哈勃太空望远镜仪器的细微改进，后来的图像分辨率稍好一些，但不包括冥王星最南端部分。

2022年3月，据美国有线电视新闻网(CNN)报道，《自然通讯》杂志发表的一项研究，揭示了科学家对于冥王星的最新发现，美国国家航空航天局“新视野号”任务拍摄的照片分析显示，这颗矮行星上存在巨大冰火山，而这可能暗示生命的存在。据报道，该研究的作者、美国西南研究所科学家凯尔西·辛格说，发现了一片非常大的冰火山区域，该区域位于斯普特尼克号平原冰盖的西南部。

辛格还推测，冥王星曾有过地下海洋，而冰火山的发现表明地下海洋或仍存在，加上冥王星内部比此前认为的具有更多热量，由此引发有关冥王星潜在宜居性的探讨。但辛格也指出，“对于任何试图在那里生存的生物来说，仍然有很多挑战。”

冥王星是柯伊伯带中体量最大的冰质天体直径为2376千米（吉尼斯世界纪录）。