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x1022kg，是月球的17.7％。其表面积为1.779x107 km2，与俄罗斯面积大致相同。它的表面重力为0.063g。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的新视野号远程侦察成像仪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。7月24日更新为2372千米，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，甲烷和一氧化碳组成的薄弱大气，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，表约为地球表面大气压的一百万分之一到十万分之一。