이오는 주로 이산화 황(SO)으로 구성된 얇은 대기를 가지고 있다. 이 밖에 일산화 황(SO), 염화 나트륨(NaCl), 황 원자와 산소 등의 물질도 포함되어 있다. 대기의 밀도와 기온은 하루 중의 시간, 위도, 화산 활동 여부, 표면의 서리의 양에 따라 크게 달라진다. 이오의 대기압은 목성을 마주보지 않는 면과 적도 지역, 그리고 표면의 서리 온도가 가장 높아지는 초저녁에 일시적으로 높아지며, 최대 대기압은 3.3×10 ~ 3×10 Pa(0.3 ~ 3 nbar)까지 올라간다 
화산 폭발이 일어난 지역에서도 5×10 ~ 4×10 Pa(5~40 nbar)의 범위 내에서 압력이 상승하기도 한다. ~ 1×10 Pa(0.0001 ~ 0.001 nbar)까지 감소한다

이오의 기온은 저고도에서는 이산화 황의 고체 상과 기체 상이 동적 평형을 이룰 정도의 낮은 온도이며, 높은 고도에서는 대기가 희박하여 이오의 플라스마 토러스의 플라스마나 자속 다발의 줄 발열에 의해 가열되므로 1800K에 이른다 이오의 대기압은 매우 낮으므로 이오의 지표면에 대기가 미치는 영향은 적으나, 예외적으로 이산화 황의 고체 상이 많은 지역에서 적은 지역으로 일시적인 이동이 일어날 때와 화산 분출물의 고리가 커질 때에는 이오의 대기가 영향을 미친다 또, 이오의 희박한 대기와 낮은 대기압으로 인해 이오에 착륙하는 탐사선은 착륙할 때 공기 주머니를 이용해 충격을 흡수하는 방식이 아닌 역추진 로켓을 이용하여 착륙해야 하며, 착륙 후에도 목성에서 나오는 강력한 방사선에도 버틸 수 있어야 할 것이다.

이오의 대기는 목성의 자기장에 의해 계속해서 제거되어 이오를 둘러싸고 있는 중성 구름이나 이오의 플라스마 토러스 쪽으로 이동한다. 매 초마다 이오의 대기에서 약 1톤의 물질이 제거되었다가 다시 끊임없이 채워지기를 반복한다.)을 가장 많이 방출하는 원천은 화산으로, 평균적으로 매 초마다 이오의 대기에 10kg의 이산화 황을 방출하며, 이는 다시 응축되어 표면으로 떨어진다. 이오의 대기 중에 존재하는 이산화 황의 양은 태양 빛이 표면에서 고체 상태로 존재하는 이산화 황을 지속적으로 승화시킴으로써 유지된다. 따라서 낮 동안에는 태양 빛을 많이 받아 따뜻하고 화산 활동이 활발한 적도에서 위도 40°까지의 지역에 대기가 집중되어 있다. 또, 관측 결과에 따르면 목성을 마주보지 않는 면에 이산화 황이 풍부하게 존재하므로 이 지역에서의 대기 밀도가 비교적 높으며, 이오가 태양과 가까울 때에도 대기 밀도가 증가하는 것이 확인되었다.)의 분해에 의한 것이거나 목성의 자기장에서 날아온 대전된 입자들이 이오의 표면에 충돌하여 입자들이 대기 중으로 방출된 것에서 유래된 물질이다

한편, 이오가 식에 있는 동안 고해상도 사진을 통해 오로라와 같은 발광 현상이 나타나는 것이 포착되었다 이는 지구와 비슷하게 입자가 대기 중의 분자와 충돌하여 생기는 것이나, 지구에서의 오로라는 주로 태양풍 입자에 의한 것인 반면, 이오의 경우에는 목성의 자기장에서 나온 대전된 입자라는 점이 다르다. 또, 오로라는 보통 행성의 자북극이나 자남극에서 주로 관찰되지만 이오는 적도 지역에서 오로라가 가장 밝다. 이오는 자체 자기장이 거의 없으므로 이오 근처에서 목성의 자기장을 따라 움직이는 전자들이 바로 이오의 대기 입자들과 상호작용을 한다. 따라서 목성의 자속이 이오의 표면에 접하여 이오의 대기 입자들과의 접촉 면적이 가장 넓어지는 적도 인근 지역에서 오로라가 가장 밝게 보이는 것이다. 목성의 자기극 방향이 바뀔 때마다 그 접점들이 변하므로 이오의 오로라는 목성 자기극의 방향 변화에 따라서 같이 움직이게 되며, 실제로 관찰되었다. 또, 오른쪽 사진에서 보는 바와 같이 산소에 의한 붉은색의 희미한 발광 현상과 밤인 지역에서 나트륨에 의한 녹색 발광도 관찰되었다
이오에 착륙하기 위해서 탐사선이 이용하는 것은?
역추진 로켓