冥卫一于1978年由天文学家詹姆斯·克里斯蒂发现，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，冥卫二，冥卫四和冥卫五。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，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。