Pluton possède trois satellites naturels, le plus grand étant Charon qui fut identifié dès 1978. Deux satellites plus petits nommés Hydra et Nix (connus jusqu'en juin 2006 par leurs désignations provisoires S/2005 P 1 et S/2005 P 2), ont été découverts en 2005.

La distribution des satellites de Pluton est concentrée au centre du système. Potentiellement, un satellite pourrait orbiter Pluton jusqu'à 53 % du rayon de sa sphère de Hill (soit environ 6,0 millions de km) dans le sens direct et 69 % dans le sens rétrograde, mais le système plutonien est resserré dans les 3 % interne de cette zone. À titre de comparaison, Psamathée orbite Neptune à 40 % du rayon de sa sphère de Hill. Selon les termes des découvreurs de Nix et Hydra, le système plutonien est « hautement compact et largement vide ».

Charon fut découvert en 1978. Comparativement à Pluton, Charon est un très gros satellite (son diamètre est la moitié de celui de Pluton), et le barycentre des deux corps se trouve au-delà de la surface de Pluton (à un peu plus de deux rayons plutoniens). Il s'agit du plus grand système de ce genre dans le système solaire (certains astéroïdes binaires possèdent également ce trait, comme (617) Patrocle ; le barycentre du Soleil et de Jupiter est également situé à l'extérieur du premier) et il y est parfois fait référence comme un système binaire d'astéroïdes.

Pluton et Charon sont également tous les deux en rotation synchrone : Charon présente toujours la même face à Pluton et Pluton la même face à Charon, un fait inhabituel dans le système solaire pour deux objets de cette taille (là encore, certains astéroïdes binaires possèdent cette propriété).

La découverte de Charon a permis de préciser la masse totale du système double et de déterminer que celle-ci était inférieure aux estimations précédentes. En fait, elle a amené les astronomes à revoir totalement leur estimation de la taille de Pluton. À l'origine, on pensait que Pluton était plus grande que Mercure (on lui donnait environ 6 800 km de diamètre) et plus petite que Mars, mais les calculs étaient fondés sur le fait qu'un seul objet était observé (on ne distinguait pas Charon de Pluton). Une fois le système double découvert, l'estimation de la taille de Pluton a été revue à la baisse. Il est possible aujourd'hui, avec des instruments modernes, de distinguer le disque de Pluton et ainsi déterminer sa taille directement.

En conséquence, l'albédo de Pluton a dû aussi être recalculé et revu à la hausse : la planète étant bien plus petite que les premières estimations, sa capacité à réfléchir la lumière devait être plus importante que ce que l'on pensait. Les estimations actuelles lui donnent une valeur légèrement inférieure à celle de Vénus, qui est déjà assez élevée. Charon, à la différence de Pluton, n'a pas retenu de méthane et apparaît beaucoup plus sombre.

Certains chercheurs ont suggéré que Pluton et Charon sont des satellites de Neptune qui auraient été éjectés de son orbite ; l'orbite rétrograde de Triton laisse penser que celui-ci était à l'origine un objet de la ceinture de Kuiper sur une orbite solaire qui fut capturé par Neptune. Triton semble en outre partager certaines caractéristiques atmosphériques et géologiques avec Pluton. Même si ces deux points ont été évoqués pour soutenir une origine neptunienne de Pluton, le consensus actuel est que cette dernière n'a jamais fait partie des satellites de Neptune.

Pluton possède deux autres satellites, qui furent photographiés le 15 mai 2005 lors d'une campagne d'observation du télescope spatial Hubble, temporairement nommés S/2005 P 1 et S/2005 P 2 puis baptisés Hydra et Nix. Ils ont été repérés par une équipe du Southwest Research Institute sur des clichés pris pour préparer la nouvelle mission d'exploration lointaine du système solaire, New Horizons. Leur existence fut confirmée par l'examen de photographies prises par le télescope spatial Hubble et datant du 14 juin 2002.

D'après les premières observations, le demi-grand axe de l'orbite de Nix mesure 49 000 km et celui de l'orbite d'Hydra 65 000 km. Les deux satellites semblent orbiter dans le sens prograde dans le même plan que Charon et sont deux et trois fois plus éloignés que celui-ci, avec une résonance orbitale proche de (mais pas égale à) 4:1 et 6:1.

Les observations se poursuivent pour déterminer les caractéristiques des deux astres. Hydra est parfois plus brillant que Nix, soit parce qu'il est plus grand, soit parce que la luminosité de sa surface varie suivant les zones. Le spectre des satellites est similaire à celui de Charon, ce qui suggère un albédo similaire d'environ 0,35 ; dans ce cas, le diamètre de Nix est estimé à 46 km et celui d'Hydra à 61 km. Une limite supérieure peut être déterminée en supposant un albédo de 0,04 similaire aux objets les plus sombres de la ceinture de Kuiper : 137 ± 11 km pour Nix et 167 ± 10 km pour Hydra. Dans ce cas, la masse des satellites serait 0,3 % de celle de Charon (0,03 % de la masse de Pluton).

Autres satellites

Le dernier satellite découvert en 2011 est provisoirement nommé P4 (également nommé S/2011 P 1).

La luminosité de S/2011 (134340) 1 n'est que 10% de celle de Nix, avec une magnitude apparente de 26,1 ± 0,3. En supposant un albédo compris entre 0,04 et 0,35, S/2011 (134340) 1 mesurerait entre 14 et 40 km de diamètre, ce qui en ferait le plus petit satellite naturel de Pluton connu en 2011.

S/2011 (134340) 1 orbite selon une orbite circulaire équatoriale à environ 59 000 km de Pluton, entre Nix et Hydra. Il parcourt cette orbite en 32 jours.