태양계에서 가장 큰 행성인 목성은 태양계 탄생 과정에서도 중요한 역할을 한 것으로 보인다. 목성과 태양은 구성 성분이 비슷하다. 목성과 태양은 태양 성운에서 동시에 생겨난 것으로 보인다. 태양계는 태양 성운이 중력의 작용으로 수축하면서 그 모습을 갖추기 시작했다. 성운이 수축하자, 바깥 지역은 차가운 상태 그대로 남아 있었지만, 중심 지역은 가열되기 시작했다. 지금의 목성 궤도쯤 되는 지점에서는 수증기가 얼어 얼음 결정이 될 정도로 온도가 차가웠다. 현재 가장 널리 알려진 가설에 따르면, 얼음과 그 밖의 고체 물질이 서서히 모여 목성의 핵을 이루게 되었다. 그 핵은 부근에서 더 많은 물질을 끌어당기면서 점점 커졌다. 핵의 질량이 커지자 중력도 더 강해졌다. 마침내 핵의 중력이 아주 강해지자, 태양 성운에 풍부하게 존재하던 수소와 헬륨을 끌어당기게 되었다. 이 때문에 목성은 지금도 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있다. 천문학자들은 작은 입자들이 쌓여 거대 행성을 만드는 과정을 설명하기 위해 부착이라는 용어를 사용한다. 두 입자가 충돌하면 서로 들러붙어 더 큰 입자가 만들어진다. 이 과정이 계속되면 점점 더 큰 물체 간에 충돌이 일어나게 된다. 이 과정이 여러 장소에서 따로 일어나 미행성체라는 큰 물체가 많이 만들어졌다. 그러다가 오늘날의 목성 궤도 근처에 있던 미행성체들이 합쳐져 목성이 만들어졌다. 미행성체 중 일부는 서로 뭉쳐 목성의 위성이 되었고, 또 일부는 목성의 중력을 뿌리치고 멀리 날아가 혜성이 되었다.
고대 천문학자들도 목성에 대해 잘 알고 있었고, 밤하늘에서 목성의 움직임을 추적했다. 망원경을 사용해 처음으로 목성을 관측한 것은 17세기 초였다. 1610년에 갈릴레이는 훗날 갈릴레이위성이라고 부르게 될 네 개의 위성을 발견했다. 당시 사람들은 우주의 모든 천체가 지구 주위를 돈다고 믿었다. 그런데 다른 행성의 주위를 도는 위성이 있다는 사실이 알려지자, 갈릴레이와 일부 사람들은 지구가 우주의 중심이 아니라고 믿게 되었다. 1972년에 천문학자들은 태양계 바깥쪽을 탐사하기 위해 우주탐사선 파이어니어 10호를 쏘아 올렸다. 1973년 12월 3일에 파이어니어 10호는 목성의 구름층 꼭대기에서 13만 km 떨어진 지점을 지나가 목성을 방문한 최초의 우주탐사선이 되었다. 파이어니어 11호는 1974년 12월 2일에 목성을 지나갔다. 두 탐사선은 목성과 그 위성들의 사진을 찍었다. 그리고 목성의 중력, 자기장, 복사대, 대기, 자기권의 플라스마에 관한 자료를 보내왔다. 천문학자들은 파이어니어호가 보낸 자료를 바탕으로 보이저호 계획을 세웠다. 보이저 1호는 1979년 3월 5일에 목성에서 28만 km 떨어진 지점을 지나갔고, 보이저 2호는 1979년 7월 9일에 72만 2000km 떨어진 지점을 지나갔다. 보이저호는 목성의 오로라와 목성 대기에 나타나는 여러 가지 특징을 발견했다. 고리의 존재도 확인했다. 두 보이저호는 많은 위성의 모습을 처음으로 가까이서 촬영했고, 이들 위성이 생각했던 것보다 훨씬 활동적이고 다양하다는 사실을 알려주었다. 태양을 연구하기 위해 발사된 우주탐사선 율리시스호는 1992년 2월 8일에 목성에서 37만 8000km 떨어진 지점을 지나갔다. 율리시스호에 실린 관측 장비는 목성의 전파, 플라스마, 먼지와 그 밖의 입자들을 측정했다. 율리시스호는 2003년 말에서 2004년 초에 걸쳐 목성을 다시 방문했을 때 목성의 자기권에 대한 자료를 더 수집했다. 1993년에 미국의 천문학자 캐럴린 슈메이커와 유진 슈메이커, 캐나다 출신의 천문학자 데이비드 레비는 목성 근처를 지나가는 혜성을 발견했다. 슈메이커-레비 9호라는 이름이 붙여진 이 혜성은 목성의 중력에 이끌려 21개 이상의 조각으로 쪼개진 상태였다. 전 세계의 천문학자들은 1997년 7월, 여러 날에 걸쳐 슈메이커-레비 9호 혜성의 조각들이 목성과 충돌하는 장면을 지켜보았다. 우주탐사선 갈릴레오호는 1995년 12월 7일에 목성에 도착하여 최초로 목성 주위의 궤도를 돌았다. 같은 날, 갈릴레오호에서 분리되어 몇 달 전에 출발한 소형 탐사선이 목성의 대기권에 진입했다. 이 탐사선은 대기 중의 헬륨, 암모니아를 비롯해 많은 물질을 정밀하게 특정했다. 또, 구름 꼭대기 층 아래에서 부는 바람의 속도도 기록했다. 모선인 갈릴레오호는 목성 주위의 궤도를 8년 동안 돌면서 목성계에 대한 중요한 사실을 많이 발견했다. 목성의 대기에서 거대한 뇌우를 발견했고, 가니메데에 자기장이 있으며, 유로파의 표면 아래에 물 또는 살얼음으로 이루어진 바다가 있다는 증거도 얻었다. 또, 이오의 화산도 자세히 관측하여 그 분화가 내부 깊숙한 곳에 있는, 마그네슘이 많이 함유된 뜨거운 규산염 때문에 일어난다는 사실도 알아냈다. 토성 탐사선인 카시니호는 2000년 12월에 목성의 구름 꼭대기 층에서 약 1000만 km 떨어진 지점을 지나갔다. 당시 갈릴레오호는 아직도 목성 주위의 궤도를 돌고 있었기 때문에, 천문학자들은 서로 다른 두 지점에서 목성을 다각도로 관측할 수 있었다. 이렇게 수집한 자료는 목성의 위성과 자기권, 대기 중의 기상계를 연구하는 데 사용되었다. 2007년에 뉴허라이즌스호가 명왕성과 카이퍼띠를 향해 출발했는데, 도중에 목성의 중력에서 추진력을 얻기 위해 목성에서 230만 km 떨어진 지점을 지나갔다. 뉴허라이즌호는 목성의 대기를 샅샅이 촬영하고, 큰 위성들의 지도를 작성했으며, 우주탐사선으로서는 처음으로 목성 자기권의 꼬리 속으로 들어갔다. 2009년에 오스트레일리아의 아마추어 천문학자 앤서니 웨슬리는 목성 표면에서 넓게 변색된 부분을 발견했다. 그 부분을 조사한 결과, 소행성 또는 혜성 충돌의 잔해라는 결론을 내렸다. 1994년 슈메이커 레비 9호 혜성의 충돌 이후 최초로 관측된 것이었다.
천문학자들은 목성의 위성을 63개나 확인했지만, 아직도 발견되지 않은 작은 위성이 더 있을 것이다. 목성의 위성은 크게 갈릴레이위성, 안쪽 위성, 바깥쪽 위성으로 나눌 수 있다. 안쪽 위성들은 목성의 고리계와 밀접한 관계가 있다.
목성의 위성 중에서 가장 큰 4개의 위성을 갈릴레이위성이라고 한다. 목성에서 가까운 것부터 나열하면 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토이다. 이오는 갈릴레이위성 중에서 가장 안쪽에 있는 위성으로, 태양계에서 지질학적으로 가장 왕성한 활동을 하는 천체이다. 많은 화산에서는 이산화황 가스가 자주 뿜어져 나온다. 대부분의 가스는 금방 응결하여 얼음이 되어 도로 이오로 떨어지지만, 일부 황과 산소 이온은 이오를 탈출하여 목성의 자기권으로 간다. 이오의 화산 분화는 목성과 유로파와 가니메데가 끌어당기는 중력 때문에 일어난다. 서로 다른 방향에서 끌어당기는 이 힘들이 이오의 내부를 압축하여 가열시킨다. 유로파의 얼음 표면에는 여기저기 갈라진 틈이 망을 이루며 뻗어 있다. 얼음 지각이 액체 상태의 물이나 질척한 상태의 얼음으로 이루어진 깊은 바다 위에 떠 있기 때문에 이러한 균열이 일어나는 것으로 보인다. 가니메데는 태양계에서 가장 큰 위성이다. 또한 태양계에서 자체 자기장을 가진 유일한 위성이기도 하다. 표면에는 밝은 부분과 어두운 부분이 있는데, 어두운 부분에 충돌 크레이터가 더 많다. 밝은 부분에는 도량과 산등성이가 많다. 칼리스토는 태양계에서 트레이터가 많은 천체에 속한다. 표면 전체를 충돌 크레이터가 빼곡하게 덮고 있다.
갈릴레이위성보다 안쪽 궤도를 도는 위성들을 목성의 안쪽 위성이라고 한다. 목성에 가까운 것부터 차례로 메티스, 아드라스테아, 아말테아, 테베가 있다. 크고 둥근 갈릴레이위성과는 대조적으로, 안쪽위성들은 크기가 작고 모양도 불규칙하다. 평균 지름은 16~167km이다. 크기는 아말테아가 가장 크고, 테베, 메티스, 아드라스테아의 순이다. 표면은 모두 어둡고 붉은색을 띠고 있으며, 충돌 크레이터가 많다. 아말테아의 평균 밀도는 지표면에 존재하는 물의 밀도와 비슷하다. 밀도가 이렇게 낮은 것으로 보아 아말테아에는 작은 구멍이 많이 뚫려 있는 것으로 보인다.
갈릴레이위성 바깥에도 불규칙한 모양의 작은 위성들이 많이 돌고 있다. 바깥쪽 위성은 수십 개가 발견되었지만, 실제 수는 그것보다 더 많을 것이다. 목성은 중력이 아주 크기 때문에 다른 천체를 잠깐 동안 위성으로 붙들어둘수도 있다. 바깥쪽 위성 중 가장 큰 것은 히말리아이고, 그다음으로 엘라라, 파시파에, 카르메, 시노페, 리시테아, 아난케, 레다의 순이다. 아난케, 카르메, 파시파에, 시노페는 나머지 위성들의 궤도, 그리고 목성의 자전 방향과 반대 방향으로 돌고 있다. 바깥쪽 위성 중 몇 개는 안쪽 위성과 갈릴레이위성의 궤도와는 달리 궤도가 목성의 적도 면에 대해 많이 기울어져 있다.
목성의 고리는 네 개로, 미세한 먼지 입자로 이루어져 있으며, 각각의 궤도를 돌고 있다. 고리들은 모두 목성의 적도 가까이에 있어 때로는 하나의 고리인 것처럼 보인다. 토성의 고리에 비해 목성의 고리는 훨씬 작고 희미하며, 포함된 물질의 질량도 작다. 사실 천문학자들은 두 보이저호가 1979년에 가까이서 촬영한 사진을 보고서야 목성에 고리가 있다는 사실을 알았다. 천문학자들은 가장 밝은 고리를 주고리라고 부른다. 그 바깥쪽 가장자리는 아드라스테아의 궤도와 일치한다. 메티스의 궤도 안쪽에는 헤일로고리라고 하는 희미한 고리가 있다. 거미줄 고리라고 하는 희미한 고리 두 개는 주 고리 바깥쪽에 있다. 그 바깥쪽 가장자리들은 각각 아말테아와 테베의 궤도와 일치한다.