Диаметр Ганимеда равен 5 268 км, что на 8% превосходит по размерам Меркурий, но по массе уступает этой планете на 45%. Для сравнения, диаметр Ганимеда на 2% больше диаметра Титана (спутника Сатурна) – второго по величине спутника в Солнечной системе. Ганимед обладает самой высокой массой среди планетарных спутников – его масса в 2,02 раза превышает массу Луны. Планета состоит из примерно равного количества силикатных пород и водяного льда. Это полностью дифференцированное тело с жидким железным ядром. Предположительно во внутреннем строении Ганимеда можно выделить четыре слоя: расплавленное железное или состоящее из сульфида железа ядро, силикатная мантия, покрытая мантией из водяного льда с прослоем жидкой воды мощностью 200км, и тонкая кора постепенно переходящяя в мантию. Точная толщина различных слоёв в недрах Ганимеда зависит от предполагаемого силикатного состава (доли оливина и пироксенов), а также от количества серы в ядре. Наиболее вероятное значение колеблется в пределах 800-900 км для радиуса ядра, 800км для толщины силикатной мантии, 900км для толщины водной мантии.
Ганимед сформировался из аккреционного диска вокруг Юпитера приблизительно за 10 000 лет (приблизительная оценка формирования Каллисто 100 000 - 1 миллион лет). В отличие от Каллисто, Ганимед был сформирован ближе к Юпитеру, где туманность была более плотной, что и объясняет более короткое время для формирования.
Ядро Ганимеда после формирования в значительной степени сохранило высокую температуру, накопленную во время аккреции и дифференцирования. Распад радиоактивных элементов в горных породах продолжил разогревать ядро, вызывая обширные изменения: были сформированы внутреннее ядро и силикатная мантия.
Поверхность Ганимеда представлена двумя типами поверхностных ландшафтов: тёмные области, занимающие треть поверхности спутника, испещрены ударными кратерами, возраст которых доходит до четырёх миллиардов лет. Светлые области, покрывающие остальную территорию, богаты обширными углублениями и гребнями, возраст которых несколько моложе.
Водяной лёд расположен практически на всей поверхности и его массовая доля колеблется в пределах 50-90%, что значительно выше, чем на Ганимеде в целом; помимо воды присутствуют углекислый газ и диоксид серы. Неровный ландшафт светлее и имеет большее количество льда по сравнению с тёмным ландшафтом.
Приливная деформация (за счет Юпитера) льдов могла разогреть недра Ганимеда и вызвать колебания литосферы, что привело к появлению выступов, разломов, трещин, борозд, каналов и складок поверхности. В процессе была стёрта старая, более тёмная поверхность на 70% площади спутника. Формирование бороздчатой поверхности также может быть связано с ранним формированием ядра спутника и последующим приливным разогревом недр Ганимеда, что, в свою очередь, вызвало расширение Ганимеда на 1-6% благодаря фазовым переходам во льду и тепловому расширению.
В настоящее время историю Ганимеда делят на три периода – Nicholsonian (от 4,56 до 3,85 млрд лет назад), Harpagian (3,85 - 3,75 млрд лет) и Gilgameshan (3,75 - 0 млрд лет).
В Николсонский период сформировалась темные и самые древние участки поверхности планеты, состоящие из смеси водяного льда и вещества не содержащего лед. Здесь находятся древнейшие кратеры, а также борозды, наиболее густо расположенные в регионе Галилео. Борозды представляют собой плотно сгруппированные параллельные гребни и желоба. Борозды формируются вдоль крупных разломов при расширении или сдвиге плит.
