约为地球的1.5倍，这种奇特的现象对研究行星大气学是一个很好的题材。同时浓厚的大气加上相当低的表面重力令登6和起飞更容易。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1oo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[1]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。
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。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。
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。