土卫六是目前已知拥有真正大气层的卫星,其他的卫星最多只是拥有示踪气体。在1944年时使用光谱学技术观察土卫六的杰拉德·柯伊伯(Gerard P. Kuiper)是第一个发现土卫六有大气存在的人,他发现土卫六大气的甲烷局部压力高到100毫巴,而多年后旅行者太空船的观测也证实土卫六上有大气存在。浓密的大气反射了大部分的光线造成反温室效应(Anti-Greenhouse Effect),使得土卫六的地表寒冷异常。事实上,土卫六的大气压比地球还要大,其地表压力是地球表面的1.5倍,且由于其高密度与较小的重力,假如今天人类站在土卫六地表上,可能光只靠挥动手臂的力量就足以让自己在土卫六的大气中飞行。早年时由于土卫六表面浓密的云层遮蔽了所有可见光的进出,在光学观测时代人们并无法直接观察到其地表,因此只能推论其表面大部分应是固态或液态乙烷。后来人们透过装置在地球上的雷达望远镜进行观测发现土卫六表面并没有大范围的乙烷海洋,不过仍然有可能存在小型的乙烷湖泊。[2]在2008年8月1日,科学家对卡西尼太空船传回的照片进行研究,证实了泰坦上面有湖泊。除了阻碍人们从地球直接观察其地表外,由于土卫六的大气实在太厚,太阳的光线几乎无法穿透,该卫星的表面可说是一片昏暗,因此当卡西尼号释放出惠更斯探测器降落在土卫六上时,惠更斯号虽然成功地传送回许多现场照片,但却因为光线过度微弱而无法从照片中判读出土卫六表面实际上的状况。