Ganimedes ma wyraźnie zróżnicowaną strukturę wewnętrzną. W jego wnętrzu jest stosunkowo niewielkie żelazne jądro, otoczone grubym, zbudowanym z krzemianów płaszczem. Ponad płaszczem rozciąga się powłoka zbudowana z warstw lodu i słonej wody. Może to być kilka warstw stałych i ciekłych ułożonych naprzemiennie. Najgłębiej, w kontakcie ze skałami płaszcza, może istnieć warstwa silnie zasolonej wody, ponad nią gęsty lód VI, wyżej pośrednie warstwy stałe może tworzyć lód V i lód III. Są to wysokociśnieniowe formy lodu, niewystępujące naturalnie na Ziemi, o innej strukturze krystalicznej niż znany z życia codziennego lód Ih. Taki lód tworzy najbardziej zewnętrzną warstwę, twardą skorupę o grubości kilkunastu kilometrów.
Atmosfera Obserwacje Teleskopem Hubble’a wskazują na istnienie wokół Ganimedesa bardzo rozrzedzonej atmosfery, która składa się niemal w 100% z tlenu. Powstaje ona w wyniku dysocjacji lodu powierzchniowego w efekcie napromieniowania. Grawitacja księżyca nie zatrzymuje uwolnionego przy tym lotnego wodoru, pozostawiając tlen.