Ganymède est nommé d'après Ganymède, prince troyen de la mythologie grecque ; de grande beauté, il fut enlevé par Zeus (prenant pour l'occasion la forme d'un aigle), alors qu'il faisait paître son troupeau sur le mont Ida. Zeus en fit son amant et l'échanson des dieux de l'Olympe.

Ce nom fut suggéré par l'astronome allemand Simon Marius en 1614 dans son ouvrage Mundus Iovialis (où il attribue d'ailleurs cette suggestion à Johannes Kepler). Tout comme les noms des autres satellites de Jupiter, il passa de mode pendant plusieurs siècles et ne fut pas remis au goût du jour avant le milieu du XXe siècle. Dans la plupart des ouvrages de la littérature astronomique ancienne, il est simplement mentionné par sa désignation en chiffres romains (un système introduit par Galilée) comme Jupiter III, ou comme « le troisième satellite de Jupiter ».

Avec environ 5 260 km de diamètre, Ganymède est le plus grand satellite naturel du système solaire, légèrement plus grand que Titan (5 150 km), le satellite de Saturne, ou que la planète Mercure (4 878 km). Dans le système jovien, le deuxième plus grand satellite est Callisto (4 821 km).

Ganymède, s'il reste le plus massif de tous les satellites naturels avec 1,4819×1023 kg, ne pèse en revanche que la moitié de Mercure (3,302×1023 kg), du fait de sa plus faible masse volumique (1,942×103 kg∙m-3 contre 5,427×103 kg∙m-3), indicatrice d'une composition interne comportant une forte proportion de glace plutôt que de roche. De fait, bien qu'il soit presque une fois et demi plus grand, la gravité à la surface de Ganymède est plus faible que sur la Lune (0,146 g contre 0,1654 g).

La surface de Ganymède est un mélange de deux types de terrains : des régions sombres très anciennes, forcément couvertes de cratères, et des régions plus claires et plus jeunes (mais néanmoins anciennes) marquées par de nombreux sillons et dorsales. L'origine de ces dernières est clairement tectonique, probablement causés par extension, élargissement et fissure de la croûte de glace. Les régions sombres contiennent des argiles et des matériaux organiques qui pourraient indiquer la composition des planétoïdes à partir desquels s'accrétèrent les satellites joviens.

Tous les terrains comportent des traces de cratères d'impact. La densité de ces cratères donne un âge de 4 milliards d'années pour les régions sombres, similaire à celui des hauts plateaux de la Lune, et plus jeune pour les régions claires (mais sans pouvoir déterminer de combien). Les cratères recouvrent certains sillons et sont cisaillés par d'autres, indiquant que ceux-ci sont anciens. Des cratères plus jeunes, comportant des raies d'ejecta, sont également visibles. À la différence de ceux de la Lune et de Mercure, les cratères de Ganymède sont assez plats, ne présentant pas les anneaux et les dépressions centrales qui sont communs sur ces corps. Il est possible que cela soit du à la nature de la croûte de glace de Ganymède qui peut s'écouler et adoucir les reliefs.

La plus grande structure sur Ganymède est une plaine sombre nommée Galileo Regio, ainsi qu'une série de sillons concentriques, restes d'un ancien cratère d'impact effacé par l'activité géologique ultérieure.

Ganymède est composée de 49 à 59% de silicates et sa masse volumique concorde avec une forte proportion de glace d'eau. Selon les données recueillies par la sonde Galileo, Ganymède possède une structure interne différentiée en trois couches : un noyau de silicate contenant également du fer et peut-être du soufre, un manteau composé de roches et de glace et une croûte formée de glace regelée. Son noyau métallique laisse supposer que Ganymède était plus chaude dans le passé. Ses couches internes seraient donc similaires à celles de Io.

En 1972, une équipe d'astronomes détecta une fine atmosphère autour de Ganymède lors d'une occultation, alors que Jupiter (et son satellite) passait devant une étoile. Des preuves d'une atmosphère de dioxygène ténue, très similaire à celle d'Europe, ont été découvertes depuis par le télescope spatial Hubble.

Le premier survol de Ganymède par la sonde Galileo permit de découvrir que Ganymède possède son propre champ magnétique, contenu dans la magnétosphère de Jupiter. Ganymède est le seul satellite naturel dont on connaisse une magnétosphère. Le champ magnétique intrinsèque de Ganymède est probablement généré de façon similaire à celui de la Terre, par déplacement de matériau conducteur dans ses couches internes, probablement dans son noyau métallique. Ganymède possède également un champ magnétique induit, indiquant qu'il possède une couche qui agit comme un conducteur. On pense que ce matériau conducteur est une couche d'eau liquide contenant du sel, située à 150 km sous la surface et prise en sandwich entre deux couches de glace de densités différente.

Ganymède est le corps solide le plus concentré qu'on connaisse dans le système solaire, ce qui suggère qu'il est totalement différencié et possède un noyau métallique. On suppose que le champ magnétique de Ganymède est produit par convection thermique dans le noyau. Des mouvements de convection à l'intérieur du manteau se sont peut-être produits par le passé.

En 1999, un disque de débris sous forme d'un anneau a été détecté tout comme pour Europe et Callisto.

La découverte de Ganymède est généralement créditée à Galilée qui documenta son existence en 1610. Galilée observa les lunes qui portent son nom entre décembre 1609 et janvier 1610. Le 7 janvier 1610, il écrivit une lettre mentionnant ses observations, la première mention écrite de satellites de Jupiter. À ce moment, il n'en vit que trois et pensa observer des étoiles. Entre le 8 janvier et le 2 mars 1610, il découvrit un quatrième corps et observa la révolution des quatre lunes galiléennes autour de Jupiter.

L'astronome allemand Simon Marius publia en 1614 l'ouvrage Mundus Iovialis anno M.DC.IX Detectus Ope Perspicilli Belgici (Le monde jovien découvert en 1609 grâce au télescope belge), dans lequel il prétendait avoir observé les quatre satellites de Jupiter dès novembre 1609. Cependant, Marius n'ayant pas publié ses observations avant 1614, il n'est en général pas crédité de cette découverte.

Selon l'historien de l'astronomie chinois Xi Zezong, l'astronome chinois Gan De aurait observé l'une des lunes de Jupiter en -362, près de deux millénaires avant Galilée. Les lunes galiléennes peuvent en effet être distinguées à l'œil nu, lors de leur élongation maximale et dans des conditions d'observation exceptionnelles.

Ganymède fut visité par la sonde Voyager 2 en juillet 1979, lors de son survol de Jupiter. Les images prises par la sonde montrèrent que Ganymède était le plus gros satellite du système solaire et présentait deux types de terrain différents.

La sonde Galileo orbita Jupiter entre décembre 1995 et septembre 2003. Pendant ces orbites, elle eut l'occasion d'observer Ganymède, permis de découvrir que le satellite posséde son propre champ magnétique et apporta des preuves de l'existence d'une atmosphère ténue et d'une couche d'eau en dessous de la surface.