大气情况土卫六是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.。大气的存在是1944年首先被杰勒德·柯伊伯（Gerard P. Kuiper）使用光谱望远镜发现的，他发现土卫六大气的甲烷局部压力达到100毫巴。后来，旅行者太空船的观测也证实土卫六上拥有大气，事实上，土卫六的大气压比地球还要大一点，星球表面的压力是地球的1.5倍。土卫六表面浓密的云层 遮盖住了它的表面地貌。人们一般认为土卫六表面是固态或液体乙烷。从地球的雷达测量发现那里没有大范围的乙烷海洋，但是仍然有可能存在小的乙烷湖。后来，科学家对卡西尼太空船发回的照片进行研究，认为土卫六 上或许根本不存在液态甲烷海洋。研究人员曾通过地面望远镜对土卫六进行观测，他们当时认为，种种迹象显示这一土星卫星上可能存在液态海洋。但是，科学家们对得出的结论仍有疑惑之处，因为以前的观测显示土卫六表面确有着闪烁的液体反光，尤其是几年前通过大型无线电望远镜观测的结果更证明极有可能存在液体海洋。
土卫六大气的98.44%是氮气，是太阳系中惟一除了地球外的富氮星体，那里还有大量不同种类的碳氢化合物残余（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、氰化氢和氦气）。这些碳氢化合物被认为来自于土卫六上层大气中的甲烷。当甲烷因为太阳辐射而发生反应就会产生浓密的桔红色烟云。土卫六表面那像是被涂上了一层柏油的有机物沉淀叫做tholin。土卫六没有磁场保护,所以当它有时运行在土星的磁气层外时，便直接暴露在太阳风之下。这导致大气电离并在大气上层释放出一些分子。
在接近表面时，土卫六的温度大约是94K(-179.15℃)。水冰在这种温度下会升华，所以大气中会有少量的水蒸气存在.土卫六表面除了覆盖全球的迷雾之外也有各种不同的云。云可能是由甲烷，乙烷或简单的有机物组成。其他稀有的复杂化学物质是土卫六在太空外观呈现橙色的原因。
2004年11月卡西尼号飞越过土卫六照片中明亮多云的南极,但并未发现期望的甲烷存在.这令科学家们困惑,対云成分的相关研究仍然在进行中,人们过去关于土卫六大气的知识可能需要重新书写。
2004年卡西尼号观测大气的结果发现土卫六大气“超级旋转”，就像金星那样，其大气要比表面旋转快很多。
据美国科学日报报道，西班牙格拉那达大学和瓦伦里亚大学的物理学家们通过分析“惠更斯”探测器对土卫六的特殊观测数据，明确地证实土卫六大气层中存在着雷电风暴等自然电活跃性活动。科学团体认为有机分子、早期生命形式可能形成于行星或卫星具有雷电风暴的高层大气层中。
自从1908年，西班牙天文学家乔西·科马斯·苏拉发现土卫六具有大气层以来，在其他卫星上未曾发现过大气层的存在。他解释说，“在土卫六上形成着具有传递运动的大气云层，因此静态电场和暴风雨状况可以形成。依据俄罗斯生物化学家亚历山大·奥帕金的理论和斯坦利·米勒的实验，土卫六具有雷电风暴活动性的大气层可能形成有机物质和早期生命形式，该条件下通过释放电量可从无机混合物中综合形成有机化合物。
土卫六大气是怎么回事，为什么木星卫星没有？有可能是彗星造成的