Rhéa est un corps glacé d'une masse volumique d'environ 1 233 kg-m-3. Cette faible valeur suggère qu'il est composée d'environ 25% de roches (masse volumique : 3 250 kg-m-3) et 75% de glace d'eau (masse volumique : 1 000 kg-m-3). Initialement, il était supposé que Rhéa possédait un noyau rocheux en son centre. Cependant, des mesures du moment d'inertie axial effectuées lors d'un survol de la sonde Cassini ont mis en évidence une valeur plus compatible avec un intérieur homogène (et une éventuelle compression de la glace au centre), l'existence d'un noyau rocheux impliquant une valeur de ce moment d'inertie axial. La forme générale de Rhéa concorde avec l'idée d'un corps homogène en équilibre hydrostatique.

Les caractéristiques de Rhéa sont semblables à celles de Dioné, avec des hémisphères avant et arrière différenciés, ce qui laisse supposer une composition et une histoire similaires. La température à la surface de Rhéa est de -174°C au soleil, et de -200°C à -220°C à l'ombre.

Rhéa est fortement cratérisée et sa surface est parcourue de marques claires. Celle-ci peut être divisée en deux zones géologiques différenciées par la densité des cratères : la première zone comprend des cratères de plus de 40 km de diamètre, alors que la seconde, en partie dans les régions polaires et équatoriales, est couverte de cratères de moins de 40 km de diamètre. Cela indiquerait qu'un événement majeur résultant en un resurfaçage a eu lieu durant sa formation.

L'hémisphère avant est fortement cratérisé et uniformément clair. Comme Callisto, les cratères sont dépourvus des structures au relief marqué présents sur la Lune et Mercure. L'hémisphère arrière présente un réseau de traînées claires sur un fond sombre, et peu de cratères. Ces traînées pourraient être de la matière éjectée de volcans de glace alors que Rhéa était encore liquide sous la surface.

Nom de Rhéa

Cassini nomma les quatre satellites de Saturne qu'il découvrit (Japet, Téthys, Dioné et Rhéa) Sidera Lodoicea (« les étoiles de Louis » en latin) en l'honneur du roi Louis XIV de France. Titan, découvert par Christiaan Huygens presque trente ans plus tôt, avait été désigné simplement Saturni Luna (« lune de Saturne »). Les astronomes prirent l'habitude de les désigner par des numéros : Saturne I à Saturne V. Après la découverte de Mimas et Encélade en 1789, cette numérotation fut étendue à Saturne VII, puis Saturne VIII après celle d'Hypérion en 1848.

Le nom actuel de ces sept satellites fut suggéré par John Herschel (fils de William Herschel, découvreur de Mimas et Encelade en 1789) lorsqu'il proposa en 1847 que les désignations numériques soient remplacées par les noms de Titans, frères et sœurs de Cronos (équivalent de Saturne dans la mythologie grecque)11. Rhéa était la femme de Cronos ; lasse de ce que celui-ci dévore ses enfants, elle lui fit avaler un rocher afin de sauver son fils Zeus.

Le 6 mars 2008, la sonde Cassini a rapporté des données selon lesquelles un disque de matière orbiterait autour de Rhéa. Si la découverte est confirmée, Rhéa serait à ce jour le quatrième satellite connu à posséder des anneaux. Europe, Callisto et Ganymède en possèdent également.

L'existence des anneaux a été déduite de la modification du flux d'électrons piégés par le champ magnétique de Saturne lorsque Cassini est passée à proximité de Rhéa. Les poussières et débris semblent s'étendrent à l'extérieur de la sphère de Hill de Rhéa, mais sont plus denses près de la lune et contiendraient trois fins anneaux d'une densité encore plus élevée.

La première sonde spatiale à avoir pris des photographies de Rhéa fut Voyager 1, en novembre 1980.

Rhéa a été survolé à plusieurs reprises par la sonde Cassini. Le 17 janvier 2006, la sonde a effectué un survol distant et a pris des photographies en meilleure résolution que précédemment et sous une lumière plus rasante. Ces images semblent indiquer que les raies de Rhéa sont des falaises de glace similaires à celles de Dioné.

Rhéa a été photographiée à plusieurs reprises à moyenne distance par Cassini. Un survol proche fut programmé pendant la mission primaire, à la distance de 500 km, le 26 novembre 2005. Un survol proche additionnel fut réalisé le 30 août 2007 à 5 750 km de distance. Un dernier est prévu pour la mission étendue de Cassini, le 2 mars 2010, à 100 km d'altitude.